750kVA變壓器用水冷裝置的設(shè)計(jì)與分析

孫之虎，陳　恩，郭　建，崔　哲，湯繼保，楊敏玲，張二新（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031）

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750kVA變壓器用水冷裝置的設(shè)計(jì)與分析

孫之虎，陳恩，郭建，崔哲，湯繼保，楊敏玲，張二新
（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031）

摘要：設(shè)計(jì)出一種符合某750kVA變壓器使用要求的散熱器，對其設(shè)計(jì)思路和參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)闡述。同時(shí)借助FLUENT有限元仿真軟件對該散熱器進(jìn)行仿真分析，論證了該散熱器的結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：散熱器；有限元仿真；流道設(shè)計(jì)；變壓器

0　引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)用電量與日俱增，電氣設(shè)備用電負(fù)荷明顯增漲，而變壓器是電氣系統(tǒng)中至關(guān)重要的設(shè)備，其工作狀態(tài)直接影響電氣系統(tǒng)的性能。大功率變壓器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不將熱量及時(shí)消除，將會(huì)直接威脅設(shè)備的安全運(yùn)行和絕緣壽命[1～4]。尤其在夏季，散熱條件已然惡劣的情況下，許多變壓器設(shè)備長期滿負(fù)荷運(yùn)行，給變壓器的安全可靠帶來了嚴(yán)重考驗(yàn)。因此，為變壓器設(shè)備設(shè)計(jì)出滿足要求的散熱器是保障其正常工作的前提條件，具有重大意義。

就散熱形式而言，目前常用的散熱方式主要有風(fēng)冷和水冷，二者之中以水冷方式較優(yōu)[5，6]。因此近年來，水冷散熱器得到廣泛應(yīng)用。

本文將為某變壓器設(shè)備設(shè)計(jì)出一款水冷散熱器，通過傳熱學(xué)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真模擬兩種方式共同論證該散熱器的結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某750kVA大功率變壓器峰值發(fā)熱量約為12kW，為滿足要求，需設(shè)計(jì)一組水冷散熱器，維持該變壓器平均表面溫度90℃。假定每個(gè)散熱器散熱能力為1kW，根據(jù)變壓器空間結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)散熱器外形為600mm× 300mm的矩形，水流量為0.333m3/h，進(jìn)口水溫40℃。

根據(jù)使用要求，為了滿足散熱及可靠性等，工程師們設(shè)計(jì)了一種整體平板型水冷散熱器[7]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該散熱器在金屬板內(nèi)部加工數(shù)個(gè)獨(dú)立的圓柱形流道，流道外部通過半圓彎管串聯(lián)，冷卻水從入口進(jìn)入流道后，依次通過每個(gè)流道后從出口流出，在此過程中，冷卻水通過與金屬板換熱從而使變壓器的溫度維持穩(wěn)定。

本文在上述散熱器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做出部分改進(jìn)，設(shè)計(jì)出如圖2所示的整體平板型散熱器。

該散熱器是由兩塊如圖2所示的金屬板焊接而成，該金屬板為直接注塑成型，板體上設(shè)計(jì)有截面為矩形的“S”形冷卻水流道。由于流道在金屬板內(nèi)部已自行連成整體，故無需另接外部彎管，同時(shí)，該散熱器增大了冷卻水流道的體積占有率。由于采用上述設(shè)計(jì)，該散熱器可以有效的節(jié)省材料、美化外觀、簡化加工工藝。

根據(jù)熱傳導(dǎo)基本原理，導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)是影響傳熱效果的關(guān)鍵因素。而在使用過程中，金屬材料的耐腐蝕性對于設(shè)備的壽命起到重要作用。常用的導(dǎo)熱材料一般有銅、鋁、鈦等金屬材料。其中，鈦的耐腐蝕性最好，但導(dǎo)熱系數(shù)最低，僅為15W/（m·K）；鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/（m·K），但是其耐腐蝕性較差；而銅的導(dǎo)熱系數(shù)為400 W/（m·K），耐腐蝕性也較強(qiáng)，因此綜合考慮換熱性能和防腐要求，設(shè)計(jì)選擇銅作為散熱器的導(dǎo)熱材料。焊接工藝采用銀條焊，銀條溶化后通過板縫的毛細(xì)作用力進(jìn)入其中可以達(dá)到很好的焊接效果。同時(shí)，銀條焊可以保證散熱器的強(qiáng)度、防腐、防漏等性能不會(huì)下降，通過氣密性和水壓保壓試驗(yàn)，可以消除漏焊、虛焊的隱患。

2　技術(shù)參數(shù)與熱力計(jì)算

根據(jù)使用要求，本文設(shè)計(jì)出高600mm，寬300mm，厚度為15mm的整體平板型散熱器，如圖3所示。散熱能力為1kW，設(shè)計(jì)采用淡水作為冷卻介質(zhì)，每小時(shí)的質(zhì)量流量為333kg（0.0925kg/s）。

根據(jù)使用條件，散熱器與變壓器雙面接觸，散熱能力為1kW。冷卻水入口溫度為40℃，質(zhì)量流速為0.0925kg/s，比熱容4182J/（kg·℃）。冷卻水流經(jīng)的“S”形流道截面尺寸為：15mm×8mm。散熱器與空氣接觸的面為四個(gè)狹小端面，在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)，與空氣的對流傳熱可以忽略不計(jì)。

根據(jù)流體的吸熱計(jì)算公式[8]：

式中 Q—物質(zhì)吸熱的功率，W；

CP—物質(zhì)的比熱容，J/（kg·℃）；

G—物質(zhì)的質(zhì)量流速，kg/s；

Δt1—物質(zhì)吸熱過程前后溫差，K或℃。

將已知條件代入公式（1），可得：

即冷卻水出入口溫差為：2.6℃，因此冷卻水出口溫度為42.6℃。由此可知，冷卻水的平均溫度為：41.3℃。

由上所述，冷卻水在流道內(nèi)與散熱器的換熱方式應(yīng)為強(qiáng)制對流換熱，水的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)約為：1000～15000W/（m2·K）。

根據(jù)對流換熱公式[9]：

式中 Q—換熱功率，W；

h—對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

S—換熱面積，m2；

Δt2—對流換熱的溫差，K或℃。

根據(jù)散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，可算得冷卻水與散熱器的熱交換面積約為0.202m2，換熱功率為1000W，欲求換熱溫差，需算出對流換熱系數(shù)[10]：

式中 D—流道當(dāng)量直徑，m；

k—流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

Nu—努賽爾準(zhǔn)數(shù)。

根據(jù)散熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)，流道截面為15mm×8mm的矩形，可以得到流道的當(dāng)量直徑D為1.04×10-2m。由于冷卻水的平均溫度為41.3℃，可用315K時(shí)水的導(dǎo)熱系數(shù)[10]（0.598W/m·k）進(jìn)行計(jì)算。

努賽爾數(shù)計(jì)算公式為[10]：

式中 Pr—普朗特常數(shù)，查得水在315K時(shí)的普朗特?cái)?shù)

為4.16[10]；

Re—雷諾準(zhǔn)數(shù)。

根據(jù)內(nèi)部流動(dòng)雷諾數(shù)計(jì)算公式[10]：

μ—流體的粘度，Pa·s。

根據(jù)前述，冷卻水的質(zhì)量流速為0.0925kg/s，查得冷卻水在315K時(shí)的粘度為0.631×10-3Pa·s，帶入公式（5）得：

將雷諾準(zhǔn)數(shù)和普朗特?cái)?shù)代入公式（4）可得：

再將努賽爾數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)、當(dāng)量直徑代入公式（3）便可算出對流換熱系數(shù)為5134W/m2·K：

根據(jù)公式（2），將對流換熱系數(shù)、換熱面積和換熱功率代入，可算得散熱器與冷卻水的溫差：

由于冷卻水平均溫度為41.3℃，則散熱器平均溫度約為42.3℃。

3　有限元分析

本文利用FLUENT有限元仿真軟件對該散熱器的換熱過程進(jìn)行了仿真分析，首先利用三維建模軟件建立了如圖3所示的散熱器三維模型。將該三維模型導(dǎo)入FLUENT軟件后建立了冷卻水三維模型，并在FLUENT軟件中對散熱器銅板和冷卻水域共同劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖4所示：圖中左側(cè)為散熱器銅板網(wǎng)格劃分示意圖，右側(cè)為冷卻水域網(wǎng)格劃分示意圖。網(wǎng)格邊長最小尺寸為0.33mm，最大10mm，網(wǎng)格總數(shù)約為1.5×105個(gè)。

網(wǎng)格劃分后，利用FLUENT軟件的三維求解器對模型溫度場進(jìn)行求解。在求解過程中，本文同時(shí)遵循能量守恒定律和k-ξ湍流計(jì)算模型。

由于散熱器和變壓器是雙面接觸，用散熱器熱負(fù)荷（1kW）除以散熱器兩平面面積之和得到散熱器熱流密度為：2777.8W/m2。冷卻水入口邊界設(shè)置為質(zhì)量流入口，質(zhì)量流量為0.0925kg/s，溫度40℃，冷卻水出口為自由流邊界。

在二階精度求解器下設(shè)置速度收斂條件為10-3，連續(xù)性收斂條件為10-6，迭代收斂后，得到了散熱器的溫度場云圖，分別如圖5、圖6所示。圖5為整個(gè)散熱器中心截面的溫度分布云圖，圖6為冷卻水域中心截面的溫度分布云圖。

由圖5可以看出，散熱器銅板本體的最低溫度出現(xiàn)在冷卻水入口附近，約為41.43℃左右，最高溫度出現(xiàn)在冷卻水入口對角位置，約為44.63℃。

由圖6可以看出，冷卻水出口溫度為42.66℃，與上節(jié)理論計(jì)算的42.6℃相吻合，說明本文參數(shù)選取及熱力計(jì)算基本準(zhǔn)確無誤。

同時(shí)，利用FLUENT軟件的統(tǒng)計(jì)平均功能算出了散熱器的平均溫度為416K，即42.85℃，與上一節(jié)計(jì)算出的42.3℃也基本吻合。

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的整體平板型散熱器通過優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，可以有效的節(jié)約材料、美化外觀、簡化加工工藝。通過理論計(jì)算與FLUENT仿真分析的相互佐證，可以證明該散熱器設(shè)計(jì)合理，散熱效果良好，可以滿足750kVA變壓器的使用要求。

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修回日期：2016-02-16

Design and Analysis of Water Cooling Device for 750kVA Transformer

SUN Zhi-hu，CHEN En，GUO Jian，CUI Zhe，TANG Ji-bao，YANG Min-ling，ZHANG Er-xin
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China）

Abstract：In this paper，a kind of radiator is designed to meet the requirements of a 750kVA marine transformer，the design idea and parameter calculation are described in detail. At the same time，the FLUENT software is used to simulate the water-cooling radiator of the 750kVA marine transformer，the thermal-simulation demonstrate the design.

Key words：radiator；thermal-simulation；passageway-design；transformer

收稿日期：2015-12-31

作者簡介：孫之虎（1986-），男，安徽合肥人，碩士研究生，助理工程師，主要從事電子設(shè)備冷卻裝置設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

中圖分類號(hào)：TM41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-3429（2016）01-0091-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.021