Теплопередача в двухмерных электрических машинах для нетрадиционной энергетики

Актуальность темы

В настоящее время основным (82%) источником получения электрической энергии в мире является ископаемое топливо и отчасти (на 16%) — растительное топливо. Вместе с тем энергия, поступающая от Солнца на Землю, превышает современное энергопроизводство в 2-Ю4 раз. К этому следует добавить, что около 2% поступающей на Землю солнечной радиации превращается в энергию ветра, как результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере.

В общем случае энергию ископаемого топлива, и даже гидроэнергию, используемую человеком для получения электрической энергии, можно рассматривать как преобразованную солнечную энергию по схеме: солнечная радиация — органический синтез (образование каменного угля, нефти, газа и т. п.) — сжигание топлива (получение тепловой энергии) — преобразование тепловой энергии сначала в механическую (в турбине), а затем — в электрическую в (генераторе) — или по схеме: солнечная радиация — испарение влаги — конденсация — осадки — водоемы преобразование механической энергии водного потока в электрическую энергию. Однако коэффициент преобразования солнечной энергии, как подавляющей энергии на Земле, по приведенным (природным) схемам не превышает сотых долей процента и вместе с тем огромный её поток, поступающий на Землю, используется в незначительных количествах.

Тем не менее можно сказать, что едва начавшейся эре энергии ископаемого топлива, уже сейчас грозит закат в силу четырех следующих обстоятельств: обостряющейся экологической ситуации, возрастающего энергетического кризиса, близкого к истощению состояния ископаемого топлива, а также смещения перспективных взглядов на ядерную энергетику.

С другой стороны, эти обстоятельства привели к естественной активизации поисков других, нетрадиционных, экологически чистых источников энергии, таких как: энергии Солнца, ветра, малых рек, биотоплива, приливовотливов, морских волн и морских подводных течений, геотернальных вод и др. При этом естественной является попытка обойтись без многоступенчатой схемы преобразования энергии, а в идеальном случае — достичь непосредственного, прямого безмашинного преобразования энергии.

Однако до настоящего времени вопросы прямого преобразования энергии, предусматривающие непосредственное генерирование электрического тока из химически активных продуктов в электрохимических генераторах без теплового и механического циклов или прямое преобразование тепловой и солнечной энергии в электрическую (термоэлектрическое, термоэмиссионное и фотоэлектрическое преобразование), не нашли широкого развития, с одной стороны, и принципиально не могут охватить всю гамму известных в природе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). В связи с этим не случайно вопросы использования НВИЭ, в большинстве своём решаются с использованием электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ), т. е. электрических машин (ЭМ), которые успешно конкурируют с установками прямого преобразования энергии, например с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) солнечной энергии в электрическую, имеющими КПД на уровне 10−15%.

Однако, как показано в /24/, использование традиционных электрических машин для нетрадиционной области энергетики, либо неэффективно, либо вовсе невозможно из-за невысокой плотности потока НВИЭ и прерывистого, случайно (недетерминированного) характера поступления последних. Так, плотность радиации Солнца у земной поверхности и ветровой энергии при скорости до 10 м/с колеблется от нуля до 1 кВт/М2, тогда как плотность потока электромагнитной энергии в воздушном зазоре обычной ЭМ составляет 500 кВт/М2.

Таким образом, перспектива расширенного использования НВИЭ напрямую связана с проблемой разработки новых, нетрадиционных типов ЭМ и систем управления ими, т. е. с развитием нетрадиционной электромеханики.

Впервые эту мысль высказал проф. Копылов И.П./54/: «К основной проблеме в области электромеханики следует отнести создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные источники энергии. Электромеханическое преобразование энергии и в будущем будет основным в электроэнергетике, поэтому создание электрогенераторов, использующих новые источники энергии, является особой заботой электромехаников.» .

Развивая мысль проф. Копылова И. П. в работе /24/ предложена оригинальная конструкция двухмерной электрической машины (ДЭМ), потребляющей одновременно энергию Солнца, предварительно преобразованную в электрическую с помощью ФЭП и энергию, например ветра, или биогаза, или геоте-риальных вод и т. д., предварительно преобразованную в механическую энергию. На выходе ДЭМ снимается суммарная энергия в виде механической (режим двигателя) или электрической (режим генератора) в зависимости от режима работы машины.

Однако, как указано выше, вероятностный, недетерменированный характер действия НВИЭ приводит к непрерывному переходному режиму работы ДЭМ, даже при постоянном значении нагрузки. Это обстоятельство существенно осложняет тепловой режим работы ДЭМ и остро ставит вопрос о разработке теоретических основ и технических средств изучения и улучшения теплового режима работы ДЭМ.

Тема работы связана с научно — технической программой Т. 14.01 «Разработать и создать производство энергетических комплексов с использованием возобновляемых источников и осуществить широкомасштабный эксперимент по их применению для объектов агропромышленного, жилищногражданского и курортно — оздоровительного назначения», а также Краснодарской краевой программой «Состояние теплои электроснабжения, обеспечение топливом. Уровни и структура потребления. Местные энергоресурсы, запасы возобновляемых источников энергии (малые ГЭС, термоэнергетика, ветроэнергетика, тепловые насосы и т. д.), разработанной в соответствии с Постановлением главы администрации края от 20.06.96 № 269.

Различным аспектам данной проблемы посвятили свои работы Ахмедов Р. В. /4/, Берковский Б. М. III, Белый Б. И. /8/, Васильев Ю.К./12/, Васильев Ю. С. /13−15/, Винокуров В. А. /16/, Гайтова Т. Б. /23−25/, Готтер Г. /28/, Гуревич Э. И. /30/, Копелевич Л. Е. /52/, Копылов И. П. /54−56/, Красавин В. В. /57/, Лидоренко Н. С. /61/, Филлипов И. Ф. /88/, Яковлев А. И. /93/, 11ш11 /95/, ЬШеу в.М. /97/, Ропйп /98/ и др.

Цель работы. Целью работы яаляется разработка теоретических основ, методологии исследования и математическое моделирование теплопередачи в двухмерных электрических машинах системы нетрадиционной энергетики.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи :

— сформулирован принцип о непрерывности переходного процесса в ДЭМ;

— обоснован напряженный тепловой режим работы ДЭМ в соответствии с непрерывностью переходного процесса;

— выявлены особенность действия и предельные значения переходных токов в ДЭМ;

— построены усредненные за 3 года в г. г. Дамаск, Хомск, Хама, Халаби и Латания (Сирия) данные метеостанций по интенсивности солнечной и ветровой энергии, подтверждающие ее глубокие колебания как в течении суток, так и в течении года;

— сформулировано понятие и показана необходимость рассмотрения электромагнитно — механической совместимости (ЭММС) в ДЭМ, работающей в парке с другими машинами;

— построены математические модели температурных полей обмоток якоря и ротора ДЭМ на основе метода параллельных структурвыполнена унификация математической модели температурного поля.

ДЭМ.

Методы исследования. В математическом моделировании трехмерных температурных полей ДЭМ автором использован метод параллельных структур, обобщение параллельных структур выполнено на основе конечно — разностных схем, математическое моделирование локального охлаждения элементов ДЭМ выполнено с использованием метода граничных интегральных уравнений.

Научная новизна. В работе построен математический аппарат теплообмена в ДЭМ, а именно :

— доказана непрерывность переходного процесса в ДЭМ и на этой основе обоснован напряженный тепловой режим его работы;

— выявлены предельные значения переходных токов и их тепловое и механическое воздействие в ДЭМ в совокупности с возможным перенапряжением;

— построены математические модели температурных полей обмоток ДЭМ;

— выполнено моделирование локального охлаждения элементов ДЭМ.

Практическая ценность. Работа имеет прикладной характер и имеет своей целью — повысить эффективность и масштабы использования нетрадиционной энергетики. В связи с этим в работе решены следующие практические вопросы :

— разработана инженерная методика расчета теплового режима ДЭМ для комплексного использования энергии ветра и Солнца;

— предложены технические решения для облегчения теплового режима и стабилизации выходных параметров ДЭМ.

Реализация результатов работы. Результаты настоящей работы использованы в НПО «Квант» при разработке систем автономного электроснабжения жилых объектов на базе НВИЭ в пос. «Черноморский» Краснодарского края, на заводе «Машприбор» (г.Краснодар) при изготовлении ДЭМ, в НПК «Ритм» (г.Краснодар) при изготовлении технических средств стабилизации параметров ДЭМ, а также в учебном процессе по курсу «Электромеханика» и в дипломных проектах по специальности 10.04 — Электроснабжения (по отрослям).

Автор защищает:

— формирование понятия электромагнитно — механической совместимости (ЭММС) ДЭМ, результаты её исследования и установления взаимосвязи её с тепловым режимом ДЭМ в системе нетрадиционной энергетики;

— методологию исследования теплопередачи в ДЭМ и технические решения облегчения теплового режима и улучшения выходных характеристик ДЭМ;

— математическую модель температурного поля ДЭМ, построенную на основе метода параллельных структур;

— инженерную методику расчета температурного поля ДЭМ.

Апробация работы. Основные положения и выводы работы докладывались на III международной Н-Т конференции «Электромеханика и электротехнология — МКЭЭ-98» (Москва, 1998 г.), на региональной Н-Т конференции «Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергосистем» (Краснодар, 1998 г.), на совместном заседании кафедры Электротехники и Электроснабжения промышленных предприятий КубГТУ (Краснодар, 1999 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы из 103 наименований. Общий объем работы 150 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок на 16 страницах.

Во введении обоснована актуальность избранной темы, поставлена цель исследования, дан обзор научной и практической значимости работы, апробации и внедрения результатов исследования.

В первом разделе обоснованы диалектические, технико — экономические и экологические аспекты развития нетрадиционной энергетики, обоснована необходимость развития нетрадиционной электромеханики, как фактора повышения электромагнитной совместимости в нетрадиционной энергетике.

Во втором разделе описана конструкция и даны теоретические основы работы ДЭМ, как основы построения радикальной системы нетрадиционной энергетики. Сформулировано понятие и исследована электромагнитно — механическая совместимость ДЭМ.

В третьем разделе дана общая методология исследования тепловых процессов в ДЭМ, сформулирована непрерывность переходного процесса в ДЭМ, выявлены особенности и предельные величины переходных токов, их тепловые и механические воздействия.

В четвертом разделе выполнено математическое моделирование трехмерных температурных полей ДЭМ, приведено обобщение параллельных структур на основе конечно — разностных схем. Построена математическая модель тепловых процессов ДЭМ, на основе метода параллельных структур.

4.6. Выводы.

1. Показана неразрывная связь температурного режима и электромагнитной совместимости ДЭМ, осуществляемая посредством выбора электромагнитных нагрузок в процессе проектирования машины, удовлетворяющих одновременно этим связанным между собой явлениям.

2. Выполнено математическое моделирование параллельными структурами температурного поля ДЭМ, позволяющее учесть как неравномерность теплоотвода в машине, так и геометрические формы, и теплофизические свойства элементов обмотки, изоляции и магнитопровода машины, а также условия теплообмена между многими элементами конструкции.

3. Выполнен анализ различных способов (воздушных и жидкостных) охлаждения электрических машин, в том числе и интенсивных способов охлаждения (канальный, омываемый, струйный и комбинированный) с целью выбора рациональной системы охлаждения ДЭМ. В результате анализа предпочтение отдано комбинированной системе охлаждения, когда охлаждающая жидкость проходит через полый вал машины.

4. Разработана инженерная методика расчета температурного поля ДЭМ с использованием метода параллельных структур в математическом моделировании теплопередачи в машине.

5. Показано, что математическую модель якоря ДЭМ можно представить начально-краевой задачей для уравнения теплопроводности. С этой целью построена теплофизическая структура тепловых источников якоря с обмоткой.

6. Выполнен численный расчет температурного поля реальной ДЭМ с интенсивным жидкостным охлаждением. Расчет предусматривает определение изменения температуры: меди (обмотки якоря) в аксиальном направлении, магнитопровода якоря в аксиальном и радиальном направлениях (причем последнее на входе и выходе жидкости из машины), а также охлаждающей жидкости в аксиальном направлении.

Расчеты показали следующие перепады температуры: жидкости на входе и выходе — 25°Смагнитопровода в аксиальном направлении — 11°Смагнитопровода в радиальном направлении: на входе — 17 °C, на выходе -22°Смеди обмоточного провода в радиальном направлении: от 76 °C в пазовой части в середине длины пакета до 98 °C в лобовой части обмотки на входе и до 123 °C в лобовой части на выходе.

7. Экспериментально (методом встроенных термопар типа хромель-копель) доказана достаточная сходимость расчетных результатов, полученных по разработанной методике. Максимальная погрешность при этом не превысила 13%.

8. Расчетным путем получена зависимость относительной деформации температурного поля медных проводников якорной обмотки от соотношения коэффициентов теплопроводности магнитопровода в аксиальном и радиальном направлениях.

9. Выполнено обобщение параллельных структур при математическом моделировании температурного поля ДЭМ, позволяющее распространить метод параллельных структур для широкого класса теплофизических задач.

10.Показано, что в ряде случаев, для менее ответственных задач, целесообразно выполнить упрощающую модель унификацию, приводящую к численному методу с неравномерной сеткой. Это позволяет до двух раз и более сократить число разностных уравнений при удовлетворительной точности вычислений, ускорить решение задачи и повысить оперативные возможности ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Специфика конструкции, непрерывный, вероятностный и неуправляемый переходный процесс в двухмерной электрической машине (ДЭМ) для нетрадиционной энергетики существенно осложняет вопросы теплопередачи в ней, ставя их в разряд самых общих и до сих пор нерешенных исследователями, что определяет постановку задачи настоящего исследования.

Обобщая результаты этого исследования, можно сформулировать следующие основные выводы:

1. Низкая плотность распределения НВИЭ на Земле, вероятностный характер их проявления и невозможность воздействия человека на их природные характеристики обуславливают необходимость комплексного использования нескольких (хотя бы двух) видов НВИЭ с помощью ДЭМ, что повышает качество вырабатываемой электроэнергии и надежность электроснабжения, а также позволяет существенно (на 40 — 50%) уменьшить мощность накопителя энергии. С этой целью построены усредненные за 3 года данные метеостанций г. г. Дамаск, Хомс, Хама, Халаб и Латания (Сирия) по интенсивности солнечной и ветровой энергии в течении суток и года.

2. Сформулировано понятие и обоснована необходимость рассмотрения электромагнитно — механической совместимости (ЭММС) ДЭМ, сформулированы критерии, обеспечивающие эту многокритериальную совместимость. Выявлены неизбежные внутренние и внешние помехи, действующие на ДЭМ в реальной электромагнитно — механической обстановке, построена соответствующая модель ДЭМ в этой обстановке и даны критериальные оценки и механизм возникновения наиболее существенных помех.

3. Получено дифференциальное уравнение, связывающее временные и пространственные изменения температуры элементов ДЭМ, что позволяет исследовать температурное поле машины при любом неустановившемся тепловом режиме.

4. Показана естественная связь температурного режима и электромагнитной совместимости ДЭМ, реализуемая рациональным выбором электромагнитных нагрузок машины, одновременно удовлетворяющих этим связанным между собой явлениям.

5. Выполнено математическое моделирование параллельными структурами температурного поля ДЭМ, позволяющее учесть как неравномерность теплоотвода в машине, так и теплофизические свойства и геометрические формы магнитопровода, обмотки и изоляции машины, а также условия теплообмена между ними.

6. Разработана инженерная методика расчета температурного поля ДЭМ с использованием метода параллельных структурвыполнен численный расчет температурного поля при интенсивном жидкостном охлаждении машины и получены зависимости перепада температур магнитопровода, обмотки, изоляции и охлаждающей жидкости в аксиальном и радиальном направлениях. Получена зависимость относительной деформации температуры ДЭМ от теплопроводности магнитопровода в аксиальном и радиальном направлениях машины.

7. Экспериментально (методом встроенных термопар типа хромелькопель) доказана достаточная сходимость расчетных результатов, полученных по предложенной методике. Максимальная погрешность при этом не превысила 13%.

Выполнено обобщение параллельных структур при математическом моделировании, позволяющее распространить метод параллельных структур для широкого класса теплофических задач.