Теплопередача, вентиляционные и тепловые расчеты в электромеханике


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



В.А. ТЮКОВ
Т.В. ЧЕСТЮНИНА Ю.Г, БУХГОЛЬЦ


ТЕПЛОПЕРЕДАЧА, ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия







НОВОСИБИРСК
2013

УДК 621.313-71.001.2(075.8)
     Т 981

Рецензенты
В.Н Аносов, д-р техн. наук;
3. С. Темлякова, д-р техн. наук

Работа подготовлена на кафедре электромеханики Новосибирского государственного технического университета для студентов по направлению «Электроэнергетика и электротехника»



     Тюков В.А.
Т 981   Теплопередача, вентиляционные и тепловые расчеты в элек      тромеханике: учеб. пособие / А.В. Тюков, Т.В. Честюнина, |Ю.Г. Бухгольц'. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - 248 с.
         ISBN 978-5-7782-2333-2
         Приведены основные положения теории теплопередачи, методы решения уравнений теплопроводности, условия распространения теплоты в устройствах электромеханики, принципы составления эквивалентных схем вентиляционной цепи и процессов теплопередачи, соотношения для расчетов коэффициентов аэродинамических сопротивлений, теплопроводности и теплоотдачи и многие справочные сведения, необходимые в расчетах систем охлаждения.
         Предназначено для студентов и магистрантов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника», и аспирантов - по специальности «Электромеханика и электрические аппараты».






ISBN 978-5-7782-2333-2

УДК 621.313-71.001.2(075.8)

                       © Тюков В.А., Честюнина Т.В., Бухгольц Ю.Г., 2013
                                               © Новосибирский государственный технический университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие..................................................
1. Задачи и проблемы проектирования электромеханических преобразователей энергии .......................................
2. Общая характеристика процессов теплопередачи в электромеханических устройствах.......................................
   2.1. Температурное поле...................................
   2.2. Теплофизические свойства сред........................
   2.3. Теплота и формы переноса теплоты.....................
   2.4. Уравнения переноса тепловой энергии..................
3. Методы анализа и расчеты тепловых процессов...............
   3.1. Метод теплового поля. Свойства скалярного и векторного поля.
   3.2. Применение уравнений в векторной форме к задачам электромеханики .................................................
   3.3. Тепловые модели и связь с физическими свойствами реальных конструкций...............................................
   3.4. Теория подобия и критерии............................
   3.5. Аналогия тепловых и электрических полей..............
4. Общий подход к решению уравнения теплопроводности.........
   4.1. Краевые задачи теплопроводности......................
   4.2. Задачи о распределении температуры в объемах с внутренними источниками теплоты ........................................
   4.3. Рекомендации к тепловым расчетам электромеханическию преобразователей в динамических режимах..........................
   4.4. Оценка нагрева электродвигателей по методу эквивалентных греющих потерь............................................
5. Нагрев и охлаждение электрических машин...................
   5.1. Системы охлаждения электрических машин, эффективность и экономичность .................................................
   5.2. Основы проектирования систем охлаждения, связь электромагнитного, вентиляционного и теплового расчетов.............
6. Вентиляционный расчет электрических машин.................
   6.1. Характеристики схем вентиляции.......................
   6.2. Задачи вентиляционного расчета.......................

3

   6.3. Аэродинамическая (гидравлическая) характеристика электрической машины.............................................
   6.4. Определение аэродинамических (гидравлических) сопротивлений тракта охлаждения.....................................
   6.5. Вентиляторы электрических машин......................
   6.6. Графоаналитический расчет вентиляционных схем........
7. Тепловые расчеты электрических машин......................
   7.1. Поле температуры. Процессы передачи тепла............
   7.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Понятие тепловых сопротивлений ......................................
   7.3. Определение коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи при тепловых расчетах электрических машин.................
   7.4. Задачи теплового расчета.............................
   7.5. Тепловой расчет электрических машин..................
8. Примеры вентиляционных и тепловых расчетов электрических машин........................................................
   8.1. Вентиляционный расчет закрытого оребренного асинхронного электродвигателя с внешним обдувом (исполнение IP-44).....
   8.2. Вентиляционный расчет защищенного асинхронного электродвигателя (исполнение IP-23)..............................
   8.3. Вентиляционный расчет закрытого асинхронного электродвигателя с форсированным охлаждением ротора (исполнение IP-44)
   8.4. Вентиляционный расчет синхронной машины с радиальной системой вентиляции с разомкнутым циклом.....................
   8.5. Вентиляционный расчет синхронной машины с радиальной системой и замкнутым циклом вентиляции.......................
   8.6. Вентиляционный расчет машины постоянного тока с аксиальной системой вентиляции.......................................
   8.7. Тепловой расчет закрытого обдуваемого асинхронного электродвигателя серии 4А, АИ....................................
   8.8. Тепловой расчет защищенного асинхронного электродвигателя серии 4 А, АИ (йв<250 мм).................................
   8.9. Тепловой расчет синхронной машины с радиальной системой вентиляции................................................
   8.10. Тепловой расчет машины постоянного тока с аксиальной системой вентиляции..........................................
   8.11. Тепловой расчет повторно-кратковременных и кратковременных режимов работы электрических машин........................
Приложения...................................................
Библиографический список.....................................

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   Вентиляционный (аэродинамический, гидравлический) и тепловой расчеты являются неотъемлемой составной частью проектирования любой электрической машины. Результаты теплового расчета по определению нагрева наиболее важных частей электрической машины (обмоток, сердечников и т. д.), регламентируемого гостстандартами и техническими условиями, в конечном счете определяют правомерность выбора величин электромагнитных нагрузок, материалов активного ядра, конструктивных решений и т. д. при проектировании электрической машины с обеспечением максимально возможного уровня технико-экономических показателей.
   В учебных пособиях по проектированию электрических машин вопросы вентиляционных и тепловых расчетов освещены в весьма сжатом виде и не позволяют определять перегревы (нагрев ЭМ) на достаточно качественном уровне.
   В то же время в научно-технической литературе, предназначенной для инженерно-технических работников промышленных предприятий и научно-исследовательских учреждений, вопросы вентиляционных и тепловых расчетов электрических машин как общепромышленного, так и специального назначения освещены достаточно полно с учетом большого количества экспериментального материала. Однако использование их в учебном процессе встречает определенные трудности в основном из-за большого количества источников и отсутствия конкретных дисциплин в учебных планах. Практически каждый из источников посвящен определенному типу электрических машин и требует больших затрат времени.
   В свете решения этих проблем, с учетом опыта выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ (дипломных проектов) на кафедре электромеханики НГТУ и анализа научно-технической литературы, в предлагаемом учебном пособии представлены основы

5

теории теплопередачи, систематизированы методы вентиляционного и теплового расчетов различных типов электрических машин. Для уменьшения затрат времени на выполнение необходимых расчетов в пособии приводятся основные теоретические положения, наиболее распространенные системы вентиляции и схемы замещения вентиляционной цепи, тепловые схемы замещения, примеры расчета различных типов электрических машин. Для удобства использования все расчеты и вспомогательные материалы представлены в виде таблиц. Практически полностью использованы материалы предшествующего учебного пособия «Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике», изданного в 2008 году.
   Пособие рекомендовано для использования в учебном процессе при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ, дипломных проектов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» (модуль электротехника), подготовке бакалавров по программам профиля «Электромеханика» и магистров по программам «Методы исследования и моделирования процессов в электромеханических преобразователях энергии».
   Приведенные материалы позволяют усвоить основы теории теплопередачи, выполнять вентиляционные и тепловые расчеты для широкого круга электромеханических преобразователей и электрических машин различного назначения.

                1. ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ




   Развитие электроэнергетики является важнейшим фактором научно-технического прогресса, определяющим в конечном итоге уровень развития производства во всех отраслях промышленности, транспорта, сельского хозяйства и т. д. Важнейшее звено в этом процессе принадлежит электромеханическим преобразователям энергии - генераторам и двигателям.
   Почти вся электрическая энергия вырабатывается с помощью турбогенераторов на тепловых и атомных электростанциях и гидрогенераторов - на гидростанциях. Основными потребителями электроэнергии являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую. Широкое применение электромеханических преобразователей энергии в различных производственных процессах определяет их разнообразие (как по принципу действия, так и по конструктивному исполнению), обеспечивающее наиболее эффективное использование в системах электропривода. Все эти обстоятельства определяют основную задачу проектирования электромеханического преобразователя энергии - обеспечение максимального уровня технико-экономических показателей в каждом конкретном случае.
   В общем случае проектирование электрической машины включает четыре основных этапа: электромагнитный, вентиляционный (аэродинамический, гидравлический), тепловые расчеты и разработку конструкции.
   При проведении расчетов проектировщик стремится к наиболее эффективному использованию активного ядра электрической машины за счет выбора проводниковых, изоляционных и магнитных материа

7

лов, обладающих высокими физическими свойствами, уровня электромагнитных нагрузок, рациональной геометрии статора и ротора, разработки эффективной системы охлаждения, обеспечивающей допустимый нагрев частей электрической машины.
   При конструктивной разработке электрической машины определяются форма и размеры элементов, обеспечивающих надежное функционирование активных частей машины, определяются жесткость и прочность всех частей, подверженных действию механических сил. В процессе конструктивной разработки решаются вопросы формирования охлаждающего тракта с целью обеспечения эффективного охлаждения, что позволяет повысить использование активного ядра электрической машины и соответственно технико-экономические показатели.
   Проектирование электрических машин представляет собой сложную многовариантную задачу. При решении этой задачи необходимо обеспечить требуемый уровень характеристик электрической машины, требования систем электропривода и гостстандартов, оговаривающих режимы работы, исполнение по степени защиты, условия и характеристики окружающей среды, допустимые уровни вибрации и шума и другие требования. Необходимо стремиться к уменьшению массы и габаритов, обеспечить технологичность конструкции с целью уменьшения затрат на изготовление и соответственно реализовать основную цель разработки - обеспечение высокого уровня технико-экономических показателей.
   Реализация требований к технико-экономическим показателям электрической машины в значительной степени определяется объемами производства. При массовом и крупносерийном производстве основной упор делается на обеспечение максимального уровня унификации узлов и деталей электрических машин, что снижает затраты на подготовку производства и изготовление и соответственно - себестоимость электрической машины. Такой подход не позволяет выбрать оптимальные геометрические размеры активного объема и обеспечить высокий уровень технических характеристик электрической машины.
   При разработке единичных электрических машин или малых серий предоставляется возможность реализовать максимальный уровень технических характеристик машины. Однако и в этом случае с целью использования технологической оснастки и технологии производства на конкретном предприятии (что обеспечивает снижение затрат на изготовление электрической машины) приходится отступать от оптимальной геометрии активного ядра.

8

   Электромеханическое преобразование энергии базируется на физических законах, основными из которых являются законы электродинамики, термодинамики и механики. Проведенные исследования процессов в этих областях практически полностью раскрывают физическую картину явлений. Знание процессов позволяет разработать методы электромагнитного, вентиляционного, теплового и механического расчетов электромеханических преобразователей (электрических машин) при их проектировании.
   Электромагнитный расчет электрических машин обладает достаточной общностью и в основном не зависит от принципа действия и назначения электрической машины. Методики расчетов электрических машин общепромышленного назначения, в том числе вентиляционные и тепловые, приводятся в учебной и научной литературе [1, 10, 17, 20, 22, 23, 25]. Рекомендации, базирующиеся на статистических данных выпускаемых электрических машин, позволяют сократить время выбора оптимального варианта даже при применении материалов с более высокими физическими свойствами и новых конструктивных решений. Методы электромагнитных расчетов электрических машин специального назначения (электрические машины систем автоматики, индукторные, с постоянными магнитами, тяговые и др.) также практически полностью отражены в научной литературе.
   Многочисленные источники по электромагнитному расчету электрических машин позволяют успешно рассчитывать и новые машины оригинальной конструкции с соответствующей корректировкой методики расчета. Применение компьютерных технологий электромагнитного расчета также позволяет повысить точность расчета и существенно сократить время поиска наиболее рационального варианта.
   Однако спроектировать нормально работающую электрическую машину с высокими технико-экономическими показателями невозможно без разработки систем охлаждения и тепловых расчетов. Система охлаждения представляет собой совокупность каналов охлаждающего тракта, по которым движется охлаждающая среда (газ или жидкость) под действием напорных элементов: вентиляторов, насосов, конструктивных элементов самой электрической машины или подобных им устройств, обеспечивающих направленное движение охладителя. Основное требование к системе охлаждения состоит в том, что она должна обеспечить допустимый уровень нагрева важнейших систем или частей электрической машины (обмоток, подшипников и т. д.).

9

Это является необходимым условием долговечности и надежности работы электрической машины.
   Теоретической базой для разработки систем охлаждения являются законы гидродинамики, в особенности такие ее разделы как инженерная гидравлика, аэродинамика и теория вентиляторов. Методы гидравлики применяются для расчета течения жидкостей и газов, если не учитывать их сжимаемость и термодинамические явления при их движении, что справедливо в большинстве практических случаев. Вентиляционный (гидравлический, аэродинамический) расчет электрической машины сводится к определению аэродинамического сопротивления системы охлаждения, потерь давления в каналах охлаждающего тракта от входа охладителя в электрическую машину до выхода из нее, а также скоростей движения охладителя в каналах.
   Аэродинамической (гидравлической) характеристикой системы охлаждения называется связь между потерями давления (напора) в каналах охлаждающего тракта и расходом охладителя в нем:
Н = Z у Q²,
где Я - напор (давление), кг/м²;
   Q - расход охладителя, м³/с;
   Zу - аэродинамическое (гидравлическое) сопротивление охлаж-кг- с² дающего тракта, —-—.
                 м
   Потери давления в каналах охлаждающего тракта складываются из путевых (потери на трение при движении охлаждающей среды) и местных, связанных с изменением градиента давления на сравнительно коротком участке (изменение сечения канала, повороты и т. д.).
   Обычно основную долю аэродинамического (гидравлического) сопротивления электрических машин составляют местные сопротивления, и только в крупных машинах и турбогенераторах с непосредственным охлаждением (охлаждающая среда движется по каналам в проводниках обмоток статора и ротора) существенную роль играют путевые сопротивления. Расчет путевых и местных сопротивлений ведется с использованием опытных значений коэффициентов аэродинамических сопротивлений [15].
   Практическая неразрешимость уравнений движения охлаждающей среды обусловила необходимость проведения обширных экспериментальных исследований по определению аэродинамических (гидравли

10

ческих) сопротивлений. Было установлено, что геометрическое подобие еще не определяет подобия механического, так как при этом не обеспечивается подобие поля скоростей и давлений в соответствующих точках пространства. На основе анализа сил, действующих на жидкость (газ), была разработана теория гидромеханического подобия течений вокруг геометрически подобных тел. Закон гидромеханического подобия течений сформулирован Рейнольдсом и гласит, что гидродинамическое подобие течений вокруг геометрически подобных тел будет соблюдено в тех случаях, когда отношение инерционных сил к силам трения в соответствующих точках пространства будет одинаковым в любой момент времени. Критерий гидродинамического подобия, названный критерием Рейнольдса, имеет вид

vd
Re = —


v

где v - скорость движения среды, м/с; d - гидравлический диаметр (определяющий размер), м; v - кинематическая вязкость среды, м²/с.
   Закон гидромеханического подобия оказал огромное влияние на развитие гидродинамики (аэродинамики) и позволил решать задачи проектирования систем охлаждения с достаточной степенью точности, используя результаты экспериментальных исследований на моделях.
   Важнейшим этапом при проектировании систем охлаждения являются выбор и расчет нагнетательных элементов. В электрических машинах в подавляющем большинстве в качестве охлаждающей среды используются газы (воздух, водород) и нагнетательным элементом является вентилятор - центробежный или осевой, теория и методика расчетов которых наиболее полно приведена в [13, 14]. При проектировании вентилятора электрической машины следует учитывать, что:
   -     КПД вентилятора влияет на КПД электрической машины в целом;
   -     частота вращения вентилятора определяется частотой вращения электрической машины;
   -     внешний диаметр вентилятора ограничен размерами электрической машины и местом установки его.
   Все эти факторы определяют необходимость обоснованного выбора типа вентилятора и рационального размещения его в электрической машине при проектировании системы охлаждения.
   Результаты расчета системы охлаждения являются исходными данными при выполнении тепловых расчетов. Условия передачи тепла и

11

теплообмена с окружающей средой и формирования на этой основе температурных полей являются предметом изучения теплопередачи, лежащей в основе тепловых расчетов различных электрических машин. В различных частях электрической машины в процессе их работы выделяются потери (электрические, магнитные, механические), которые формируют тепловые поля, зависящие от условий отвода потерь из электрической машины. Процесс переноса тепла в системе физических тел называется теплообменом, который обусловлен неравномерностью распределения температуры в данной системе, т. е. температурным полем.
   Непосредственной задачей теплового расчета является расчет температуры активных частей электрической машины с целью проверки выполнения требований по допустимому уровню нагрева в соответствии с требованиями гостстандартов или технического задания. В результате расчета определяются максимальные значения температуры в наиболее нагретых зонах активных частей электрической машины. Практически чаще достаточно ограничиться расчетом среднего значения температуры, что значительно упрощает тепловой расчет.
   Тепловой расчет электрических машин базируется на основе решения неоднородного дифференциального уравнения теплопроводности. Сложность решения такого уравнения обусловливается неравномерным распределением потерь, неоднородностью физических свойств материалов частей электрической машины, явно выраженной анизотропией свойств по радиусу и длине, сложностью форм поверхностей теплоотдачи и т. д.
   Решение дифференциального уравнения невозможно без определения условий теплопередачи на границах твердых тел и охлаждающей среды. Для определения условий теплообмена на граничных поверхностях необходимо знать закон движения охлаждающих сред в системе охлаждения электрической машины.
   В связи с большой сложностью и актуальностью теплового и вентиляционного (гидравлического) расчетов электрических машин результаты расчета должны быть подтверждены экспериментальными исследованиями. Постановка эксперимента должна быть обоснована для каждой конкретной задачи, иначе полученные результаты эксперимента на моделях не могут быть распространены на оригинал. Научную основу эксперимента дает теория гидромеханического подобия при аэродинамических (гидравлических) расчетах и теплового подобия при тепловых расчетах. В теории подобия коэффициенты уравнения

12