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片式散熱器散熱性能試驗(yàn)研究

1溫升控制和自冷油浸式壓作用時(shí),內(nèi)部絞架、鐵心等部件損傷。損耗的能量轉(zhuǎn)換為熱量并通過(guò)變壓器油的熱傳導(dǎo)和對(duì)流作用傳遞給油箱壁。熱量使繞組、鐵心、油箱壁和油面溫度上升。而溫升直接影響到絕緣材料的壽命,因此必須把溫升控制在一定的范圍內(nèi)。采用散熱器進(jìn)行散熱是必須的。片式換熱器是目前變壓器用的主流散熱器。如何找到提高散熱器總傳熱系數(shù)的方法用于增強(qiáng)片式散熱器的散熱能力,對(duì)于節(jié)約變壓器的制造成本并延長(zhǎng)其使用壽命是很有意義的。在居民區(qū)及一些對(duì)噪聲、能耗有特殊要求而不能采用強(qiáng)迫冷卻方式的地方,如何提高散熱器自冷的效果也是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題。圖1為工業(yè)中使用的散熱器分類。筆者主要研究的是油浸自冷式散熱器,其適用于容量比較小的產(chǎn)品,或者對(duì)噪聲控制要求高的場(chǎng)合。2試驗(yàn)與研究方法2.1試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)材料在試驗(yàn)中采用對(duì)比的方式進(jìn)行。普通的片式散熱器如圖2所示。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的散熱器一般片型為兩塊帶一定數(shù)量縱向淺凹槽的冷軋鋼板壓合,兩塊板間縱向均勻N條焊縫以形成N+1條油道。進(jìn)行對(duì)比的散熱器改變了原有片型冷軋時(shí)的模具結(jié)構(gòu),這樣就改變了片型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中主要有以下4種片型。(1)搓板紋型散熱片。(2)單面尖筋搓板紋型散熱片:以上兩種搓板紋型散熱片是在單片冷軋鋼板上沖壓出橫向外凸的半圓形或者三角形。(3)圓點(diǎn)紋型散熱片:圓點(diǎn)紋型散熱片是在單片冷軋鋼板上沖壓出內(nèi)凹的直徑約為10mm的圓點(diǎn),圓點(diǎn)在板上均勻交錯(cuò)分布。這種散熱片取消了常規(guī)的油道,圓點(diǎn)相當(dāng)于焊點(diǎn),圓點(diǎn)紋處正好是兩塊鋼板的鉚合處,油在交錯(cuò)布置的圓點(diǎn)間繞行,不斷改變方向。(4)內(nèi)塞繞流帶散熱片:這種散熱片是在普通散熱片的單個(gè)油道內(nèi)塞入一根麻花形鋁帶,其彎曲形狀配合油道尺寸。對(duì)比試驗(yàn)使用了能模擬變壓器內(nèi)部繞組等損耗發(fā)熱的裝置。為使試驗(yàn)結(jié)果直觀可比,采用了兩套能準(zhǔn)確控制發(fā)熱元件功率、結(jié)構(gòu)尺寸相同的模擬變壓器分別與普通型、改進(jìn)型散熱器連接成系統(tǒng),系統(tǒng)中充滿變壓器油,兩臺(tái)裝置放置于大房間內(nèi),關(guān)閉門窗以減少外界環(huán)境的影響。為了得到各種工況下兩組片式散熱器的散熱性能情況,試驗(yàn)裝置中采用了調(diào)壓器和電流互感器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)熱元件的功率參數(shù),借助功率表可保證每擋工況下對(duì)比試驗(yàn)的兩組散熱器所承擔(dān)的功率相同。每組片式散熱器上,布置了10個(gè)熱電偶,測(cè)量片壁上對(duì)應(yīng)溫度,并且用熱像儀測(cè)量了片壁的溫度場(chǎng)。試驗(yàn)原理圖見圖3。2.2試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量通過(guò)各自連接的功率表讀數(shù),調(diào)節(jié)控制兩組試驗(yàn)裝置的發(fā)熱元件同時(shí)處于相同的功率。功率分為520W、640W、800W、1000W和1200W等幾擋,每調(diào)一個(gè)擋時(shí),在升溫的過(guò)程中,每隔30min測(cè)量一次各測(cè)溫點(diǎn)的毫伏數(shù),同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和風(fēng)速。當(dāng)測(cè)量結(jié)果顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí),隔10min重復(fù)一次作為系統(tǒng)穩(wěn)定傳熱時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果,然后將功率調(diào)高一擋。所測(cè)溫度中,每組散熱器有兩點(diǎn)分別是進(jìn)、出散熱器的油溫。測(cè)量的方法是將端頭封閉的銅管斜插入上下集管,銅管與集管結(jié)合處焊牢,銅管中充滿變壓器油,熱電偶伸入銅管中。這樣,熱電偶所測(cè)溫度并非上下集管中油的真實(shí)溫度,但考慮到銅的導(dǎo)熱系數(shù)很大,所測(cè)溫度誤差很小,且兩組散熱器所用測(cè)溫度條件相同,仍然有可比性。試驗(yàn)中用熱電偶測(cè)定片壁外側(cè)8個(gè)點(diǎn)的溫度,加上紅外點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)定的4個(gè)點(diǎn)溫度,共測(cè)量出12個(gè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù),在傳熱計(jì)算時(shí)取它們的算術(shù)平均值作為外壁的平均溫度。試驗(yàn)中用來(lái)模擬變壓器的內(nèi)裝電加熱器的圓筒及與散熱器上下集管相連的上下兩根橫管均未保溫,起到向外散熱的作用,故需要測(cè)量其外壁溫度作為傳熱計(jì)算依據(jù),用紅外測(cè)溫計(jì)測(cè)量各點(diǎn)溫度,取各點(diǎn)的算術(shù)平均值為其平均溫度。散熱器內(nèi)油的平均溫升取油進(jìn)出散熱器時(shí)溫升的算數(shù)平均值。所有測(cè)溫?zé)犭娕祭涠司B接冰罐,并調(diào)校準(zhǔn)確。熱電偶材料為鎳鉻—考銅,所測(cè)毫伏值精確到0.001mV,所對(duì)應(yīng)溫度精度為0.01℃。所有散熱器的充油量在試驗(yàn)完畢時(shí)用天平稱量,精確到0.001kg。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1筋碳紋型蒸發(fā)器試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2、表3和表4。在表中,1號(hào)為三角尖筋搓板紋型散熱器;2號(hào)為普通散熱器;3號(hào)為圓筋搓板紋型散熱器(單面,另一面為平板);4號(hào)為單面交錯(cuò)圓點(diǎn)紋型散熱器(單面,另一面為平板);5號(hào)為內(nèi)塞擾流鋁帶型散熱器。3.2對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出如下項(xiàng)目:一是各功率下對(duì)比試驗(yàn)的兩組散熱器各自的散熱量與傳熱系數(shù);二是油自然循環(huán)的流量與流速。具體計(jì)算方法和公式參見文獻(xiàn)。計(jì)算結(jié)果見表5、表6、表7和表8。3.3結(jié)果分析3.3.1空氣側(cè)與油側(cè)熱阻之比的確定分析對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明,三角尖凸筋搓板紋型與內(nèi)插螺旋擾流鋁帶型片式散熱器的傳熱系數(shù)較普通型提高3%~8%。因?yàn)橛徒岳渖崞骺諝鈧?cè)與油側(cè)熱阻之比為8~10,因此可以推斷油側(cè)的換熱系數(shù)提高了50%以上。如果采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式,減小空氣熱阻,這兩種散熱器的傳熱系數(shù)還會(huì)成倍提高。半圓凸筋搓板紋型和交錯(cuò)凹圓點(diǎn)型的傳熱系數(shù)提高不大。這說(shuō)明了不同散熱片的片型對(duì)于散熱能力有著不同的影響,并非所有的翅片都可以提高傳熱效率。3.3.2減少循環(huán)油量采用了翅片的片式散熱器由于油道容積的減少,使得循環(huán)油量比普通型要少。半圓凸筋搓板紋型散熱器比普通型油量少10%左右,其余的比普通型油量少2%~3%。3.3.3不按比例增加從試驗(yàn)結(jié)果可見,在變壓器損耗不同時(shí),同一片式散熱器總傳熱系數(shù)不同,損耗越高,總散熱系數(shù)越大,但并不按比例增加。而對(duì)于對(duì)比試驗(yàn)的兩組散熱器,如三角尖凸筋搓板紋型與普通型散熱器,前者在提高總傳熱系數(shù)以及降低油溫方面的優(yōu)勢(shì)隨著損耗的加大而變得越來(lái)越不明顯,這是因?yàn)殡S著電加熱器輸入的損耗加大,模擬變壓器擔(dān)負(fù)的散熱量占系統(tǒng)總散熱量(即輸入電功率)的份額加大而使散熱器擔(dān)負(fù)的散熱量份額減小所致。4紋型與內(nèi)插螺旋擾流鋁帶型通過(guò)試驗(yàn)研究了改變片式散熱器的片型或結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能與阻力特性的影響。試驗(yàn)表明,三角尖筋搓板紋型與內(nèi)插螺旋擾流鋁帶型

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