Статья: Модель системы охлаждения индукционного устройства

Расчет фактической температуры воздуха на выходе из конденсатора ведут в определенной последовательности. Вначале определяют водяной эквивалент для воздушного потока, Вт/К:

(15)

где w_v - массовый расход воздуха, кг/с; c_pv - теплоемкость воздуха, Дж/кгЧК.

Водяной эквивалент для конденсата принимают равным бесконечно большой величине, так как процесс конденсации и передачи тепла идет при постоянной температуре (W_min/W_max = 0). Число единиц переноса тепла [13]:

(16)

Эффективность конденсатора задана по ее зависимости от числа единиц переноса тепла и соотношения W_min/W_max для перекрестноточного теплообменника, в котором не один из потоков не перемешивается. Для частного случая конденсации по экспериментальным данным [13], предложена аппроксимирующая зависимость:

(17)

Температура воздуха на выходе из конденсатора:

(18)

Решение задачи, согласно выбранному методу, осуществлялось итерационным алгоритмом, основанным на последовательном приближении вычисленного значения температуры воздуха на выходе из конденсатора к принятому (на каждом шаге используется одна и та же формула, выраженная через значения, полученные на предыдущих шагах алгоритма).

Если расчетная и принятая температуры воздуха на выходе из конденсатора не совпадают, то вычисления ведут до их совпадения. Критический момент в работе испарительно-конденсационной системы охлаждения связан с передачей тепла, полученного при конденсации через стенку теплообменника потоку внешней среды (воздуха). Расчет и моделирование испарительно-конденсационной системы охлаждения были проведены в среде MathCAD.

Теплофизические свойства исследуемых теплоносителей приняты по данным [14]. Расчетные характеристики процесса отвода тепла при кипении в большом объеме для исследуемых рабочих жидкостей представлены в таблице.

Таблица 1

Результаты исследования охлаждающих свойств жидкостей, в виде графических характеристик, представлены на рисунках 2-4. На всех графиках по оси ординат расположены величины мощности, рассеиваемой в окружающей среде. Поэтому во всех случаях представлены зависимости интенсивности рассеяния от характеристик системы охлаждения.

Согласно рис. 2 по оси абсцисс размещены значения расхода воздуха через конденсатор 3 (рис. 1). Поэтому характеристики можно назвать зависимостями интенсивности теплоотведения от интенсивности подачи охлаждающего воздуха.

Согласно рис. 3 по оси абсцисс размещены возможные значения ширины Y бокса конденсатора для различных конструктивных исполнений. Как видно по характеристикам, для трех разновидностей теплоносителя конструктивный размер ширины крайне существенно влияет на величину отводимой тепловой мощности.

Согласно рис. 4 по оси абсцисс размещены возможные конструктивного параметра глубины X бокса конденсатора.

Рис. 2 - Зависимости отводимой тепловой мощности от расхода воздуха

Рис. 3 - Зависимости отводимой тепловой мощности от ширины бокса конденсатора

Расчеты показали, что характеристики оказываются существенно нелинейными, причем начиная с габарита 0,2 м интенсивность теплоотведения увеличивается весьма существенно, а при достижении рубежа 0,5 -0,7 м для всех разновидностей теплоносителя наступает насыщение и интенсивность теплоотведения резко уменьшается.

Рис. 4 - Зависимости отводимой тепловой мощности от глубины бокса конденсатора

Исследование режимных параметров теплопередачи по модели испарительно-конденсационной системы охлаждения позволило определить характер влияния глубины и ширины конденсатора, а так же расхода воздуха на величину отводимого теплового потока для трех видов рабочей жидкости. Полученные результаты дают информацию для принятия решения при переходе к практическому проектированию индукционного оборудования и решению задач адаптации испарительно-конденсационной системы к конкретным типам индукционных машин [15], [16]. Использование разных интервалов отводимой тепловой мощности, показанных на рис. 2-4, обусловлено тем, что в зависимостях отводимой тепловой мощности для различных параметров (теплофизические свойства жидкости, расход воздуха и размеры теплообменника) кратность изменения была разной.

Особенность полученных результатов в отношении эффективности систем охлаждения заключается в ранжировании исследуемых рабочих жидкостей по эффективности отвода тепла. Это способствовало выявлению технологических ограничений при использовании конкретной рабочей жидкости (недопустимая высота расположения теплообменника для фреога-113 при естественной циркуляции теплоносителя) и сравнительной оценке различных способов увеличения отводимой тепловой мощности в окружающую среду.

Выводы

1. Расчетная модель позволяет на этапе, предваряющем проектирование, оценить влияние основных конструктивных и технологических параметров системы охлаждения на ее эффективность.

2. Эффективность рабочей жидкости при отводе тепла во внешнюю среду значительно падает при переходе от воды к этанолу и далее к фреону-113.

3. Использование фреона-113 приводит к существенному, практически на порядок, увеличению высоты системы охлаждения для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя.

4. Увеличение размеров конденсатора дает больший прирост отводимой тепловой мощности, чем увеличение расхода воздуха через конденсатор, которое в свою очередь связано с увеличением потребления энергии вентилятором.

5. Длительное пребывание в конденсаторе элементарного объема потока внешней среды, связанное с увеличением его глубины, способствует более эффективному отводу тепловой мощности во внешнюю среду.

Список литературы / References

1. Tyapin A.A. Four-zone linear induction machine with two-phase power / Tyapin A.A., Kinev E.S. // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. Vienna, 2019, No3-4, pp 38-44. ISSN2310-5607.

2. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах / Филиппов И.Ф. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 256 с.

3. Борисенко А.И. Охлаждение промышленных электрических машин / Борисенко А.И., Костиков О. Н., Яковлев А. И. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 296 с.

4. Патент РФ. №2628 103 RU. Качо-Алонсо Х. К. Охлаждающая структура для расположенных во внутреннем пространстве электрошкафа компонентов / Патент РФ. Опубл. 08.08.2017.

5. Tyapin A.A. The structure of electromagnetic stirrers / Tyapin A.A. // Znanstvena Misel Journal / Global Science Center LP, Lubljana. 2018. № 20-1, pp. 50-57. ISSN 3124-1123.

6. ИсакеевИ.А. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов / Исакеев И. А. Киселев И. Г., Филатов В. В. Л.: Энергоиздат, 1982. - 136 с.

7. СаламатовЮ.П. Испарительно-конденсационная система охлаждения токопроводящих элементов (варианты). Описание изобретения к патенту РФ № 2513118 RU / Саламатов Ю. П., Головенко Е. А., Гришко Г. С. Опубл. 04.2014. - 17 с.

8. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена / Кутателадзе С.С. - Москва: Атомиздат, 1979. - 416 с.

9. Тонг Л. Теплоотдача при кипении и двухфазное течение / Тонг Л.: Пер. с англ. 1969. - 344 с.

10. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / Пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с: ил.

11. Кириллов П. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / Кириллов П. П., Юрьев Ю. С, Бобков В. П. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.

12. Глушицкий, И.В. Охлаждение бортовой аппаратуры авиационной техники. - М.: Машиностроение, 1987. - 184 с.

13. Кейс В. М. Компактные теплообменники / Кейс В. М., Лондон А.М. - М.: Энергия, 1967. - 158 с.

14. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Варгафтик Н.Б. - М.: 1972. - 720 с.

15. ТяпинA.А. Моделирование электромагнитного режима трёхфазных линейных индукционных машин. Электрооборудование: эксплуатация и ремонт / Тяпин A. А. № 6, 2019. с. 28-37. ISSN: 2074-9635.

16. Tyapin A.A. Flat two-phase linear induction MHD machine for metallurgical purposes / Tyapin A.A., Kinev E.S. American Scientific Journal NY, United States. 2019, No 27.1, pp. 57-61.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Tyapin A.A. Four-zone linear induction machine with two-phase power / Tyapin A.A., Kinev E.S. // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. Vienna, 2019, No3-4, pp 38-44. ISSN2310-5607.

2. Filippov I.F. Teploobmen v elektricheskikh mashinakh [Heat transfer in electric machines]./ Filippov I.F.- L.: Energoatomizdat, 1986. - 256 p. [in Russian]

3. Borisenko A. I. Okhlazhdenie promyshlennykh elektricheskikh mashin [Cooling of industrial electric machines] / Borisenko A. I., Kostikov O. N., Yakovlev A. I. Moscow: Energoatomizdat, 1983.- 296 p. [in Russian]

4. RF patent. No. 2 628 103 RU. Kacho-Alonso Kh. K. Okhlazhdayushchaya struktura dlya raspolozhennykh vo vnutrennem prostranstve elektroshkafa komponentov [Cooling structure for components located in the interior of the control cabinet]. Published on 08/08/2017. [in Russian]

5. Tyapin A.A. The structure of electromagnetic stirrers / Tyapin A.A. // Znanstvena Misel Journal Global Science Center LP, Lubljana. 2018. № 20-1, pp. 50-57. ISSN 3124-1123.

6. Isakeev I. A. Effektivnye sposoby okhlazhdeniya silovykh poluprovodnikovykh priborov. [Effective methods of cooling power semiconductor devices] / Isakeev I. A. Kiselev I. G., Filatov V. V. L.: Energoizdat, 1982.- 136 p. [in Russian]

7. Salamatov Yu. P. Isparitel'no-kondensatsionnaya sistema okhlazhdeniya tokoprovodyashchikh elementov. [Evaporative-condensation cooling system for conductive elements (options)] / Salamatov Yu. P., Golovenko E. A., Grishko G. S. and others // Description of the invention to the patent of the Russian Federation No. 2513118 RU. Published on April 20, 2014. - 17 p. [in Russian]

8. Kutateladze S.S. Osnovy teorii teploobmena. [Fundamentals of the theory of heat transfer.] / Kutateladze S.S. - M.: Atomizdat, 1979. - 416 p. [in Russian]

9. Tong L. Teplootdacha pri kipenii i dvukhfaznoe techenie. [Heat transfer at boiling and two-phase flow] / Tong L. Trans. from English, 1969. - 344 p. [in Russian]

10. Spravochnik po teploobmennikam. [Handbook of heat exchangers]: In 2 vols. T. 2 / Trans. from English under the editorship of O. G. Martynenko et al. - M.: Energoatomizdat, 1987. - 352 p. [in Russian]

11. Kirillov P. P. Spravochnik po teplogidravlicheskim raschetam (Yadernye reaktory, teploobmenniki, parogeneratory). [Handbook of Thermohydraulic Calculations (Nuclear Reactors, Heat Exchangers, Steam Generators)] / Kirillov P. P., Yuryev Yu. S, Bobkov V. P. - M.: Energoatomizdat, 1990. - 360 p. [in Russian]

12. Glushitsky I. V. Okhlazhdenie bortovoy apparatury aviatsionnoy tekhniki. [Cooling on-board equipment of aircraft] / Glushitsky I. V. M.: Mechanical Engineering, 1987. 184 p. [in Russian]

13. Case V.M. Kompaktnye [Compact heat exchangers] / Case V.M., London A.M. M.: Energy, 1967. 158 p. [in Russian]

14. Vargaftik N. B. Spravochnik po teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey. [Handbook of thermophysical properties of gases and liquids] / Vargaftik N. B. M.: 1972. 720 p. [in Russian]

15. Tyapin A. A. Modelirovanie elektromagnitnogo rezhima trekhfaznykh lineynykh induktsionnykh mashin. [Modeling of the electromagnetic mode of three-phase linear induction machines] / Tyapin A. A. Electric equipment: operation and repair. No. 6, 2019. pp. 28-37. ISSN: 2074-9635. [in Russian]

16. Tyapin A.A. Flat two-phase linear induction MHD machine for metallurgical purposes. American Scientific Journal NY / Tyapin A.A., Kinev E.S. United States. 2019, No 27.1, pp. 57-61.