Брандина Е.П., Шелудько О.В. Основы теплопередачи в электрических машинах
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Северо-Западный государственный заочный технический университет
Кафедра электротехники и электромеханики
ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
Рабочая программа
Задание на контрольную работу
Факультет энергетический
Направление и специальность подготовки дипломированного
специалиста:
654500 - электротехника, электромеханика и электротехнологии
180100 - электромеханика (по отраслям)
Направление подготовки бакалавра
551300 - электротехника, электромеханика и электротехнологии
Санкт-Петербург
2005
Утверждено редакционно-издательским советом университета
УДК 621.313.017.7(075.08)
Основы теплопередачи в электрических машинах:
Рабочая программа, задание на контрольную работу. - СПб.:
СЗТУ, 2005. — 33 с.
Рабочая программа дисциплины соответствует требованиям
государственных образовательных стандартов высшего
профессионального образования по направлению подготовки
дипломированного специалиста 654500 (специальность 180100 –
«Электромеханика») и направлению подготовки бакалавра 551300.
Дисциплина представляет собой изложение научных основ
гидравлики
, аэродинамики и теории теплообмена применительно к
электрическим машинам. Рассмотрены типы систем охлаждения
электрических машинах, теоретические и прикладные вопросы
вентиляционного и теплового расчетов.
Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и
электромеханики 17 января 2005 г., одобрено на заседании
методической комиссии энергетического факультета 6 февраля 2005 г.
Рецензенты: кафедра электротехники и электромеханики СЗТУ
(зав. кафедрой
В. И. Рябуха, д–р техн. наук, проф.);
Ю. Ф. Кокунов, ст.преп. кафедры электрических машин СПбГТУ.
Составители: Е. П. Брандина, канд. техн. наук, доц.,
О. В. Шелудько, канд. техн. наук, доц.
© Северо – Западный государственный заочный технический
университет, 2005
ПРЕДИСЛОВИЕ
При проектировании электрических машин к числу соблюдаемых
ограничений, наряду с максимально допустимыми механическими и
электромагнитными нагрузками, относятся и предельно допустимые
температуры активных частей,
В связи со значительным повышением использования активного
объема машины и необходимостью интенсификации систем
охлаждения, сложилась самостоятельная техническая дисциплина
«Основы теплопередачи в электрических машинах».
Целью изучения дисциплины
является усвоение теоретических и
прикладных вопросов гидравлики, аэродинамики и теории теплообмена
в электрических машинах, связанных с функционированием их систем
охлаждения и формированием их термического состояния.
Задачи дисциплины. В результате изучения дисциплины студент
должен знать: основы гидравлики, аэродинамики и теории теплообмена
в электрических машинах; типы систем охлаждения, области их
применения и
возможности; теплофизические свойства используемых
материалов и охлаждающих сред; задачи вентиляционных и тепловых
расчетов электрических машин и методы их решения, а также уметь
обосновывать целесообразность выбора системы охлаждения и
конструкций ее элементов; выполнять расчет вентиляторов
электрических машин; составлять тепловые и гидравлические схемы
замещения; решать задачи, связанные с определением температурных
полей в
элементах электрических машин.
Связь с другими дисциплинами. Теоретической базой для
изучения курса являются дисциплины: «Физика», «Высшая математика»,
«Теоретические основы электротехники», «Электрические машины»,
«Конструкции электрических машин».
Знания, полученные при изучении дисциплины, используются в
курсе «Проектирование электрических машин», при курсовом и
дипломном проектировании.
1
. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
(объем дисциплины 70 часов )
Введение
Роль и значение тепловых гидродинамических явлений в
электрических машинах (ЭМ).
Достижения отечественных научных школ в создании
прогрессивных систем охлаждения и разработке методов тепловых и
гидравлических расчетов ЭМ.
Тема 1. Общие вопросы
Общая характеристика физических процессов тепловыделения и
теплопередачи в ЭМ. Связь технико-экономических показателей
ЭМ с
процессами теплоотвода. Требования к ЭМ по уровню нагрева.
Требования к системам охлаждения ЭМ. Классификация систем
охлаждения. Эффективность и экономичность системы охлаждения.
Тема 2. Основы теории гидравлических и аэродинамических
расчетов
Задачи вентиляционного расчета ЭМ и его связь с теорией
гидравлики. Значение теории подобия.
Охлаждающие среды, применяемые в ЭМ. Понятие о
капельных и
газообразных жидкостях. Физические свойства жидкостей: плотность,
сжимаемость, вязкость. Понятие об идеальной жидкости.
Основное уравнение гидростатики. Гидростатическое давление и
его измерение.
Основное понятие кинематики жидкости. Линии и трубки тока.
Живое сечение. Уравнение неразрывности течения. Расход и средняя
скорость потока.
Дифференциальное уравнение динамики жидкости. Уравнение
Бернулли для элементарной струйки идеальной и
реальной жидкости.
Измерение давления, скорости и расхода с помощью пнев-
мометрических трубок.
Ламинарное и турбулентное течение жидкостей. Число
Рейнольдса. Гидравлический диаметр канала.
Потери напора по длине канала при ламинарном и турбулентном
режимах течения. Влияние шероховатости стенок на потери напора.
Потери напора в местных сопротивлениях при изменении направления
потока и площади
сечения канала, при слиянии и разделении потоков.
Рекомендации по снижению потерь напора в системах охлаждения ЭМ.
Влияние вращения хладоагента на потери напора.
Понятие гидравлического сопротивления. Последовательное и
параллельное соединение гидравлических сопротивлений.
Гидравлические характеристики системы. Применение вычислительной
техники для гидравлических и аэродинамических расчетов.
Последовательность вентиляционного расчета.
Тема 3. Вентиляторы электрических машин и
вентиляционные расчеты
Типы встроенных вентиляторов: центробежный, осевой и
комбинированный, их использование в ЭМ.
Принцип действия центробежного вентилятора
, его недостатки.
Основные формы лопаток центробежного вентилятора, их применение
для ЭМ.
Теория идеального центробежного вентилятора. Теоретический
напор вентилятора, потеря давления, аэродинамическая характеристика
и КПД вентилятора. Опытное определение аэродинамической
характеристики.
Мощность и КПД вентиляторов, способы повышения КПД. Расчет
центробежного вентилятора. Аэродинамический шум вентилятора и
методы его снижения. Расчет совместной работы вентилятора
и
воздухопровода. Приближенные вентиляционные расчеты ЭМ.
Тема 4. Основы теории теплообмена электрических машин
Виды теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен
(теплоотдача), тепловое излучение, теплоперадача.
Теплопроводность: температурное поле, тепловой поток,
градиент температуры. Закон теплопроводности Фурье; коэффициент
теплопроводности материалов, используемых в ЭМ.
Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия
однозначности при решении задач теплопроводности. Граничные
условия I, II, III и IV рода.
Стационарные одномерные температурные поля в элементах ЭМ
(случай плоской и цилиндрической стенок). Понятие о тепловом
сопротивлении. Теплопередача через оребренную поверхность.
Аналитические методы расчета температурных полей. Метод
Зодерберга. Расчеты температурных полей с использованием
вычислительной техники.
Конвективный теплообмен (теплоотдача). Закон Ньютона -
Рихмана. Факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи.
Основы теории подобия. Теоремы
подобия. Числа (критерии)
гидродинамического и теплового подобия. Обобщение опытных данных
на основе теории подобия. Критериальные уравнения для основных
случаев свободной и вынужденной конвекции. Расчет коэффициентов
теплоотдачи для различных элементов ЭМ по критериальным
уравнениям.
Физическая сущность теплового излучения. Законы излучения.
Степень черноты и угловые коэффициенты излучения серых тел.
Лучистый теплообмен между телами. Понятие коэффициента
теплоотдачи излучением. Коэффициент теплоотдачи при совместном
действии конвекции и излучения.
Теплообменные аппараты ЭМ. Основы теплового расчета тепло-
обменных аппаратов.
Тема 5. Основы тепловых расчетов электрических машин
Задачи тепловых расчетов ЭМ
. Исходные данные для расчета
распределения потерь, геометрия основных частей ЭМ,
теплофизические свойства материалов, расходы и скорости
охлаждающих сред.
Пиковая температура и превышения температуры в элементах
конструкции ЭМ.
Уровень температур изоляционных материалов и влияние его на
срок службы ЭМ.
Режимы работы ЭМ и их учет при тепловых расчетах. Тепловые
расчеты на
основе методов температурного поля.
Сущность метода тепловых эквивалентных схем и связь его с
методом поля. Тепловые сопротивления и расчет тепловой
эквивалентной схемы. Схема теплового расчета ЭМ. Тепловые
эквивалентные схемы статоров и роторов машин переменного тока,
якорей и индукторов машин постоянного тока. Тепловые схемы машин
закрытого типа.
Системы уравнений теплового баланса для
тепловых схем.
Аналогия между тепловыми и электрическими схемами. Учет в тепловых
схемах зависимости потерь в обмотках ЭМ от температуры. Применение
вычислительной техники для расчета сложных тепловых схем.
Тепловой расчет при нестационарных (переходных) процессах.
Система дифференциальных уравнений теплового баланса ЭМ
при переходном тепловом режиме. Постоянная времени теплового
процесса. Анализ нестационарного процесса
без теплообмена с
окружающей средой. Режим повторно-кратковременной нагрузки.
Принципы определения допустимой нагрузки ЭМ в кратковременном и
повторно-кратковременном режимах работы.
Тепловые испытания ЭМ, методы измерений, обеспечение
требуемой точности. Анализ результатов испытаний и их связь с
разработкой систем охлаждения.
Тема 6. Новые направления в развитии систем охлаждения
электрических машин
Принципы интенсификации систем охлаждения. Высоко-
температурные компаунды. Системы непосредственного охлаждения.
Сверхпроводимость в электрических машинах. Криогенные
машины. Новые жидкостные и жидкостно-испарительные системы
охлаждения.
Тепловые трубы, принцип действия, применение их для охлажде-
ния электрических машин.
1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ
для студентов очно-заочной
формы обучения (16 часов)
1.Общие вопросы нагревания и охлаждения электрических
машин. Новые направления в развитии систем охлаждения
электрических машин ............................................................................4 ч.
2. Основы гидростатики. Уравнение Бернулли. Гидродинамика
идеальной жидкости. Динамика вязкой жидкости. Пограничный слой.
Моделирование......................................................................................4 ч.
3. Вентиляторы электрических машин и вентиляционные расчеты
электрических машин ........................................................................... 4 ч.
4. Основы теории теплообмена и тепловых
расчетов
электрических машин.............................................................................4 ч.
1.3. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (4 часа)
1. Вентиляционный расчет электрических машин ...................... 2 ч.
2. Тепловой расчет ЭМ .................................................................. 2 ч.
2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основной:
1. Брандина Е.П., Шелудько О.В. Тепловые, гидравлические и
аэродинамические расчеты в электрических машинах: Учеб. пособие.
– Л.:СЗПИ, 1991.
2. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах.—Л.:
Энергоатомиздат, 1986. '
Дополнительный:
2. Борисенко А. И. Охлаждение промышленных электрических
машин.—М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Юдаев Б. Н. Теплопередача. — М.: Высш. школа, 1982.
4. Лабейш В
. Г. Гидравлические расчеты электрооборудования.—Л.:
СЗПИ, 1990.
5. Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по
теплогидравлическим расчетам.—М.: Энергоатомиздат, 1984.
6. Асинхронные двигатели серии 4А .: Справочник / Кравчик А.Э.,
Шлаф М. М., Афонин В; И., Соболевская Е. А. —М.:Энергоиздат, 1982.
7. Проектирование электрических машин. / Под ред. И. П. Копылова
- М.: Энергия, 1980.
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Рекомендуется следующий порядок изучения дисциплины:
необходимо по программе ознакомиться с содержанием темы,
проработать соответствующий материал (желательно составить
конспект), используя пояснения и ссылки методических указаний на
разделы основной и дополнительной литературы. За разъяснением
трудно усваиваемых частей курса следует обращаться к преподавателю
в учебно-консультационные пункты университета. Для самопроверки
предлагается ответить на
вопросы, приведенные в методических
указаниях.
Переходить к изучению следующей темы нужно только после
усвоения предыдущей, после того, как даны ответы на вопросы для
самопроверки. При проработке материала необходимо обращать особое
внимание на физический смысл математических зависимостей, которые
служат для решения практических задач. Надо помнить, что
размерность любой величины обычно отражает ее
физический смысл.
Проверка размерности в процессе математических выводов и
вычислений, особенно при решении задач, может сигнализировать о
допущенных в расчетах ошибках.
Цель практических занятий вытекает из задач, поставленных при
изучении дисциплины и указанных в предисловии. На практических
занятиях рассматриваются основные разделы курса.
Изучение дисциплины заканчивается теоретическим зачетом.
Введение
[1], с
. 3; [2], с. 6... 13
Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты
являются неотъемлемой частью общей теории электрических машин
(ЭМ).
При работе ЭМ выделяется теплота, представляющая потери
энергии, которые возникают при взаимном превращении механической и
электрической энергии. Для нормальной работы машины необходимо,
чтобы выделенная в ней тепловая энергия была отведена
охлаждающей средой (хладоагентом). Классификация способов
охлаждения предусматривается ГОСТ 20459-87.
В последние годы в связи со значительным увеличением
активного объема машин и необходимостью интенсификации процессов
охлаждения и сложилась данная самостоятельная общетехническая
дисциплина.
При проектировании ЭМ стремятся применять наиболее
эффективные системы охлаждения. При разработке систем охлаждения
должны быть определены схемы циркуляции охлаждающих сред
(
хладоагентов) и типы нагнетательных элементов на основе требований,
предъявляемых классом изоляционных материалов к уровню
температуры в активной зоне ЭМ при номинальных условиях
эксплуатации в установившихся и переходных режимах. Другими
словами, должны быть выполнены вентиляционный и гидравлический
расчет ЭМ, а также тепловой расчет, который должен обосновать
целесообразность выбранной системы охлаждения или определить
дополнительные требования к интенсификации теплообмена.
При проектировании системы охлаждения необходимо
определить поле температуры во всем объеме ЭМ и проверить
соответствие имеющимся техническим требованиям.
Вопросы для самопроверки
1. Укажите взаимосвязь тепловых, гидравлических и
аэродинамических расчетов при проектировании электрических машин.
Тема 1. Общие вопросы
[1], с. 3... 17; [2], с.1...9
Наибольшие возможности повышения единичной мощности
ЭМ
возникают при увеличении линейной токовой нагрузки, что достигается
путем интенсификации процессов теплообмена в системе охлаждения
машины. Необходимо иметь представление о достигнутом уровне
единичной мощности современных ЭМ и трансформаторов. Для машин
традиционного исполнения основные температурные ограничения
режимов и условий эксплуатации определяются допустимой рабочей
температурой изоляции, в первую очередь изоляции обмоток.
Необходимо
знать классификацию изоляционных материалов по
нагревостойкости, их допустимые рабочие температуры и применение
классов изоляции в ЭМ. Следует обратить внимание на правило «десяти
градусов», связывающее превышение температуры и срок службы
изоляции.
Для нормальной работы ЭМ необходимо, чтобы выделенная в
ней тепловая энергия (теплота) была отведена, т.е. чтобы какое-либо
материальное
тело восприняло эту энергию и удалило бы ее из
машины. Таким материальным телом является охлаждающая среда
(хладоагент): жидкость или газ, проходящие по каналам цепи
охлаждения под воздействием нагнетательных элементов
(вентиляторов, насосов, компрессоров и т.д.). Хладоагент,
циркулирующий под воздействием нагнетательных элементов по
каналам цепи охлаждения, образует совместно с каналами и
нагнетательными элементами систему охлаждения ЭМ.
Необходимо твердо знать классификацию
способов охлаждения
ЭМ.
Следует знать, какими коэффициентами оценивается
эффективность (действенность) системы охлаждения. Экономичность
системы охлаждения в основном оценивается по эксплуатационным
расходам, которые являются важнейшей характеристикой системы
охлаждения. Может оказаться, что весьма эффективная система
охлаждения потребует такого большого расхода энергии на свое
функционирование, что заметно понизит КПД всей машины в целом.
Вопросы для самопроверки
1. Охарактеризуйте классификацию изоляционных материалов по
нагревостойкости.
2. Какие классы изоляции по нагревостойкости находят наибольшее
применение в ЭМ?
3. Дайте классификацию способов охлаждения ЭМ.
Тема 2. Основы теории гидравлических и
аэродинамических расчетов
[1], с. 17...36
В расчетах систем охлаждения ЭМ применяется теория
гидравлики, гидромеханики, аэродинамики и газовой динамики.
Необходимо иметь представление
о задачах гидравлического расчета
ЭМ.
Знать роль напора и его падение на участках системы
охлаждения, связь расхода охлаждающего агента с величиной потерь в
ЭМ.
В ЭМ в качестве охлаждающих сред чаще всего применяется
воздух, в крупных машинах для улучшения теплосъема находят
применение водород и вода, в крупных трансформаторах - масло.
В
теории гидромеханики все эти вещества относят к классу
жидкостей. Их важнейшим отличием от твердых тел является свойство
текучести. При этом жидкости могут быть капельными (несжимаемыми)
и газообразными (сжимаемыми). Следует знать физические свойства
жидкостей: плотность, удельный вес, сжимаемость, вязкость.
В некоторых задачах гидромеханики, когда можно пренебречь