Проектиране на управление на топлината за трансформатори с монтиране на пад
В реална експлоатация преобразувателите с монтиране на пластина срещат типични проблеми, свързани с топлината:
За оптимизиране на разпространението на топлината, този документ използва анализ на крайните елементи за построяване на 3D модел на преобразувателя. Чрез картографиране на разпределението на температурното поле, то идентифицира горещи точки и усъвършенствана система за охлаждане.
1. Основи на температурното поле
Температурното поле описва пространствено-времевите вариации на температурата, с генериране, прехвърляне и разпределение на топлина тясно свързани. За преобразувателите с монтиране на пластина, топлината произлиза от ядрата, витниците и т.н. Експлоатационните условия и продължителността изменят топлинните модели, а многомедийните взаимодействия (ядрата, витниците, изолацията) създават неравномерни температурни разпределения.
Прехвърлянето на топлина става чрез провеждане (доминиращо, водещо топлината от витниците/ядрата през изолираща смола към околния въздух) и конвекция. Интензитетът на провеждането корелира с градиентите на температурата - топлината се движи от горещите компоненти към по-студената смола, след това се разпръсква във външния въздух. Изчисленията на топлинния потъг следват:
В формулата: q представлява плътността на топлинния потъг; λ представлява теплопроводимостта; ∂t/∂x е градиентът на температурата, отразяващ скоростта на промяна на температурата с разстоянието; n е коефициентът за преобразуване на топлината. Когато има различия в температурите на различни позиции, топлината главно циркулира, за да балансира температурата, и това състояние на баланс на температурата е конвекция. По време на експлоатацията на преобразувателите с монтиране на пластина, топлината, генерирана от различните части, ще дойде в контакт с въздуха и ще се прехвърли между тях, причинявайки промени в температурата на околните газове. По време на този процес, прехвърлянето на топлина се осъществява чрез конвекция, което може да бъде изразено със следната формула:
В формулата, h е коефициентът за конвективно прехвърляне на топлина, tf представлява температурата на флуида, а tw представлява температурата на повърхността на обекта. Когато температурата на обекта е по-висока от абсолютната нула, се генерира радиантна топлина, обикновено наречена топлинна радиация. При други фактори, останали неизменни, количеството на радиацията, генерирана между обектите, ще се промени, когато температурата се повиши (с температурата, която поддържа непрекъснато нагорни тенденции). По време на експлоатацията на преобразувателите с монтиране на пластина, оборудването самото не влезе в директен контакт с топлинната радиация; когато температурата на преобразувателя се стабилизира, функцията му за топлинна радиация ще постигне разпръскване на топлината чрез топлинна радиация, и този процес може да бъде изразен със следната формула:
В формулата, S означава площта на радиацията, T е термодинамичната температура на обекта, а σ е константата за радиация. При проектирането на системата за разпръскване на топлината за преобразувателите с монтиране на пластина, методът на анализ на крайните елементи (FEA) се използва главно за установяване на уравнения за топлинен баланс. Чрез изчисленията, температурата във всеки възел на обекта може да бъде определена. Това е особено полезно за измерване на точки на температурата, които са трудни за получаване в практиката, идентифициране на оптимални горещи точки и после провеждане на куплен анализ. Основните принципи за декомпозиция на температурното поле чрез FEA са следните:
Дискретизация на тримерната физическа област;
Използване на функции за описание на вариациите на температурата във всеки възел във елемента;
Конструиране на уравнения на елемента;
Събиране на елементите и прилагане на външни екситации във възлите;
Решаване на уравненията, като се вземат предвид граничните условия на температурното поле;
Изчисление на температурното увеличение във всеки възел;
Производство на температурното увеличение на елемента, основано на уравненията на температурното поле.
2 Моделиране и симулация на температурното поле на преобразувателите с монтиране на пластина
2.1 Моделиране на крайните елементи
Таблица 1 изброява релевантните параметри на преобразувателя с монтиране на пластина, избран в настоящия документ. Конструира се модел на крайните елементи, основавайки се на тези параметри. След това, се създават опростени модели за високонапрегнатата витница, нисконапрегнатата витница и железното ядро на преобразувателя с монтиране на пластина.
По време на построяването на модела, тъй като сварените връзки на изходните терминали на високонапрегнатата витница са относително здрави, те не се взимат предвид в началната фаза на проектирането. За опростяване, железното ядро се моделира като монолитна структура, с пренебрегване на интерламеларните разстояния (тези разстояния се обработват чрез свойствата на масивната силиконова стомана, за да се учестят материалната проводимост). Тримерният симулационен модел на преобразувателя е показан на фигура 1.
За анализ на ефектите на естествената конвекция върху разпръскването на топлината, се добавя външна област на въздуха (с размери 5000мм×5000мм×3000мм) към симулационната среда, позволявайки реалистично моделиране на моделите на въздушния поток около преобразувателя.
2.2 Модел на обвивката на преобразувателя с монтиране на пластина
Витниците и железното ядро се моделират като източници на топлина, с техните темпове на генериране на топлина, изчислени на основата на параметрите на проекта на преобразувателя. Областта на въздуха е конфигурирана с изходи на налягане във върха и входи, разпределени по дъното и страните, поддържащи температура на околната среда, зададена на 300K. По време на симулациите, параметрите на естествената конвекция се извличат чрез избор на подходяща модель на турбулентност, основавайки се на числото на Рејли.
Геометрията на обвивката (Фигура 2) е опростена поради сложната й композитна структура. Перфорираните панели на покрива се пренебрегват, като целият покрив се третира като непрекъснат въздушен домейн. Пористи материали се поставят при изходите на въздуха под стрехите, за да се моделира съпротивлението на потока. Областта на въздуха около долните опорни балки на обвивката се счита за свързана. Допълнителен слой въздух с височина 155мм се добавя под обвивката, за да се учести влиянието на основата върху разпръскването на топлината.
В създадения модел, предварително зададените дънни отвори, върхни отвори и горни-долните отвори принадлежат към пористи материали, с дебелина 10 мм (като жълто-зеления блок на фигура 3), така моделирайки решетестата плочка. Спецификацията на дънния отвор е 1450 × 1200 мм², а спецификацията на горните-долните отвори е 550 × 500 мм². В модела са зададени също три отвора и епоксидна плочка, и отворите се определят да бъдат в отворено или затворено състояние според действителната ситуация. Обикновено, ако се приеме напълно монтиран вариант, върхният отвор, епоксидната плочка и Отвор 1 са в отворено състояние; ако се приеме вариант с дънни отвори, върхният отвор, дънният отвор и Отвори 1/2/3 са всички в отворено състояние.
2.3 Анализ на разпределението на температурното поле
След това, се създава модел на крайните елементи, чрез дискретизация на геометричния модел. Осигурете единство на естествената конвекция и вътрешните мрежови модели, и усъвършенствайте дискретизацията при отворите на обвивката и въздушните интерфейси, за да подобрите точността на изчисленията. На базата на геометричния модел, моделът на крайните елементи има 401,856 възела и 518,647 мрежи. Ключови настройки за модела на преобразувателя с монтиране на пластина:
Използвайки софтуер за крайни елементи, моделът на температурното поле показва: Витниците имат най-високата температура в преобразувателя, последвани от железното ядро; съседната въздушна температура също е висока, намаляваща по време на възход на въздуха, докато съответства на температурата на околната среда при изхода на налягането. По време на експлоатация, разширението на горещия въздух причинява натрупване на въздух и сблъсъци между околната и каналната среда (поради непрекъснато загряване и увеличаване на обема). Вискозитетът на въздуха влияе върху потока в канала и полето на потока. Горещият въздух се ускорява близо до земята и забавя далеч; контактът между потока и повърхността образува термален границен слой, който, поради дебелината си, намалява коефициентите за прехвърляне на топлина, увеличавайки температурата и вискозитета на въздуха, докато намалява скоростта на потока. Горещият въздух променя температурата над преобразувателя, с температурата, пропорционална на топлинната радиация.
3 Проект на разпръскване на топлината на преобразувателите с монтиране на пластина
3.1 Анализ на модела
Преобразувателите с монтиране на пластина са разположени в обвивки с високо ниво на безопасност. За гарантиране на гладкото циркулиране на въздуха в обвивката и максимално използване на способността на преобразувателя за разпръскване на топлината, трябва да бъдат конфигурирани аксиални вентилатори, за да изведат горещия въздух от вътрешността на оборудването. Едновременно, радиатори се инсталират извън обвивката, за да се постигне размяна на топлина. Чрез размяната на топлина, може да се насърчи непрекъснатото циркулиране на въздуха в преобразувателя.
По време на експлоатацията на преобразувателите с монтиране на пластина, топлината главно се генерира от витниците и железното ядро. Следователно, проектът трябва да се фокусира върху състоянията на потока на въздуха на тези две компоненти и да интегрира съответните елементи за построяване на модела за разпръскване на топлината.
3.2 Определяне на параметрите на модела
За преобразувателите с монтиране на пластина, разликите между параметрите на вътрешния въздух и параметрите на температурната характеристика са относително малки. При избора на листове от силиконова стомана, трябва да се отдава предимство на техническите им характеристики. Едновременно, се анализира числовото съотношение между медените жици и изолиращата смола, за да се определят термичните характеристики.
3.3 Задаване на условията
Средното налягане при входа и изхода на въздуха на преобразувателя с монтиране на пластина е едно атмосферно налягане. Комбинирайки това с производителността на радиатора, температурата на студения въздух се приема като входно условие, за да се създаде модел на крайните елементи, и се дефинира симетричната равнина и посоката на вход-изход на въздуха.
3.4 Анализ на резултатите
След създаването на модела и задаването на граничните условия, се извършват изчисления. Анализът показва, че изходът на въздуха на преобразувателя с монтиране на пластина е най-горещата точка, с температура, достигаща 394.5K (соответства на температура на гореща точка 120.5℃). Най-горещата точка на железното ядро е далеч от изхода на въздуха, и изчисленията показват, че температурата на горещата точка е 110℃. Освен това, местата, близки до входа и изхода на въздуха, имат слаба производителност за разпръскване на топлината.
3.5 Анализ на входа и изхода на въздуха
Симулиране на промяната в скоростта на потока на въздуха: Ако високонапрегнатата витница, която е построена близо до изхода на въздуха, има правоъгълна структура, това ще повлияе на налягането на въздуха, правейки въздуха в капсула по-рядък и неблагоприятен за разпръскване на топлината.
На основата на това, се оптимизира дизайнът на изхода на въздуха: Изходът на въздуха се премества нагоре с около 30см, дължината остава непроменена, и едновременно се намалява ширината на входа на въздуха (главно се намалява с 10см), така че общата дължина на обвивката се увеличава с 20см. След изчисления, при тази схема, температурата на горещата точка и средната температура на витницата намаляват значително. Анализът на разпределението на скоростта на потока на въздуха показва, че потокът на витницата показва ъгъл от 120°, когато се прехвърли към изхода на въздуха, указвайки, че потокът на въздуха е плавен.
3.6 Резюме
Преобразувателите с монтиране на пластина играят ключова роля в системата за разпределение на енергия. Ако големият обем на генерираната топлина по време на експлоатация не може да бъде разпръсната навреме, вероятно е да се причинят повреди и да се заплаши стабилността на системата. Проектьорите трябва да анализират дълбоко проблемите с разпръскването на топлината на преобразувателите с монтиране на пластина, да комбинират промените в температурното поле, да използват научни методи като метода на крайните елементи, за да създадат модели за разпръскване на топлината, да оптимизират системата за разпръскване на топлината на оборудването и да подобрят общата ефективност на разпръскването на топлината.
