Soojuse optimeerimise disain padamüntandite transformaatoride juhtkabinetidele merepuitseturbineidel

Globaalne energiaüleminek suurendab merebrise tuulenergia osakaalu, kuid keerulised merekeskkonnad väljakutsevad turbiinide usaldusväärsust. Pad-mountitud transformatori juhtimiskastide (PMTCCs) soojuse levik on kriitiline – levimata jäänud soojus põhjustab komponendite kahjustumist. PMTCC soojuselevoolu optimiseerimine parandab turbiini efektiivsust, kuid uurimused keskenduvad peamiselt maapiirkondadele, eirates merepindil asuvaid. Seega tuleb disainida PMTCC-d mereolukordade jaoks, et parandada ohutust.

1 PMTCC Soojuselevoolu Optimeerimine
1.1 Soojuselevoolu Seadmete Lisamine

Merepindil asuvate PMTCC-de puhul tuleb lisada või optimeerida täielikult sellest saadud soojuselevoolu seadmeid, mis vastupidavad soolale ja niiskusele. Need paigutatakse transformatorkeskuse kõrval, ühendatakse eriliste liidesedega, moodustades nii efektiivsed külmuspitsid. Seadmetes olev soojuselevoolu: vaata joonist 1.

Merepiirkonna kliima spetsiifiliste omaduste, nagu suured temperatuurilained, kõrge niiskus ja soola spray korroosioon, tõttu kehtestatakse rangemad nõuded transformatorkeskuse soojuselevoolu performantsile. Säilitajate disaini täpseks optimeerimiseks käsitöö kombinib uute meetoditega ANSYS-i ja MATLAB-i, kasutades geneetilisi algoritme säilitajate laiuse parameetrite optimeerimiseks.

ANSYS-i sisemise parameetrilise programmeerimiskeele piiratud võimet direktse optimeerimisalgoritmide integreerimiseks kasutatakse MATLAB-i vahendina. ANSYS-i teisendusliku arendusliidese abil luuakse nahtav ühendus ANSYS-i ja MATLAB-i vahel. Eeldatakse, et säilitaja kogupindala on 0.36 m², ja säilitaja tagapindlai a_z ning külgsed säilitaja servad a_c on defineeritud järgmiselt:

Üksikasjalike arvutuste ja simulatsioonide kaudu määratakse säilitaja optimaalne tagapindla 0.235 m, kui kahe külgsese säilitaja laiused muutuvad vastavalt 1.532 m. See optimeerimine ei ainult säilita säilitaja kogupindala, vaid ka parandab selle soojuselevoolu performantsi.

1.2 Joonitud õhu Külmendamise Tehnoloogia

Joonitud õhu külmendamine kasutab ventilaatoreid õhu ringlust kiirendamiseks, laiendades temperatuurierinevusi õhuvahetuse kaudu, et parandada soojuselevoolu. See kontrollib kabinetit empaaritult, kuid siltsides ja lokaalses kaotuses kanalis. Optimeeringud hõlmavad kanalist laiuse suurendamist 100 mm-st 120 mm-ni ja hüdraulilise läbimõõdu vähendamist, minimeerides energiakaotust ja parandades efektiivsust. Külmendatud ölj oli töötab tagasi tanki alumiste putkide kaudu, moodustades kaks külmendamispitsi. Vaata joonist 2.

Soojuselevoolu optimeerimiseks valitakse Õli Naturaalne Õhu Külmendamine (ONAF) režiim. Ventilaatorid viivad õhuvoolu, mis teeb külmendava õhuvoolu liikumise allapoolest ülespoole, katmates kõrvaldi radiatoorile.

1.3 Peamise Transformatorkammi Sisse- ja Väljavihku Optimeerimine

Peamise transformatorkammi energiakaotuse ja eeldatava temperatuurierinevuse põhjal sisse- ja väljavihku vahel arvutatakse vajalik õhuvool termomehaanika abil. Õhuvooli valem V on:

Valemis:

• Q on soojuselevool ajaühiku kohta;

• ρ on õhu tihekus;

• b on spetsiifiline soojuskogumine;

• ΔT on sisse- ja väljavihku vaheline temperatuurierinevus.

Arvestades võimalikku ventilatsiooniefektiivsuse langust, määratakse mõõdetud õhuvool 1.6V. Tõhusa sisseviigu pindala A arvutamise valem on:

Kus v esindab õhuvoolu sisse- ja väljavihku. Klarifitseerides transformatorkammi energiakaotuse ja määrates eeldatava temperatuurierinevuse sisse- ja väljavihku vahel, arvutatakse vajalik õhuvool V termomehaanika põhimõtete abil. Lõpuks disainitakse sisse- ja väljavihku spetsiifilised mõõdud õhuvoolu V põhjal:

• Sisseviik: laius 0.200 m ja kõrgus 0.330 m;

• Väljaviik: laius 0.250 m ja kõrgus 0.264 m.

Analüüs sisseviigu rõhukaotuse ja avatud pindala vahelise korrelatsiooni näitab, et avatud pindala suurendamine võib efektivselt vähendada gaasi rõhukaotust, parandades nii soojuselevoolu efektiivsust. Kontrollkabineti struktuurse tugevuse tagamise eesmärgil määratakse sisseviigu avatud pindala 0.066 m². Tõhusa ventilatsioonipindala parandamiseks kasutatakse ruudvõrkude ja persiivide kombinatsiooni, mis suurendab ventilatsioonikanaleid ja takistab tolmude ja sadu sissepääsu. Peamise transformatorkammi alumises osas paigutatakse lisaks õhuvooluakna umbes 40 cm maapinnast, et laiendada sisseviigu pindalat.

Alumise sisseviigu ja ülemise väljaviigu põhimõtte järgi optimeeritakse sisse- ja väljavihku. Sisseviik asub peamise transformatorkammi alumises osas, väljaviik aga ülemises osas, moodustades loodusliku konvektioni. See võimaldab sooja õhule sujuvalt tõusta ja väljuda väljavihku, samas kui külm õhk sisse sisenekse, luues tõhusa õhuvoolu, mis parandab soojuselevoolu efektiivsust.

1.4 Kontrollkabineti Struktuuri Optimeerimine

Merepindil asuvate tuulparkide unikaalsete väljakutsete, nagu sool, niiskus ja korroodeerivad ained, lahendamiseks kasutatakse kõrgetehnoloogilisi korroodeerimisvastaseid materjale ja edasijõudnud tiheitustehnoloogiaid, et parandada kontrollkabineti üldist kaitset.

Parandatud Soojuselevoolu Disain:

• Optimeeritud Ventilatsiooniaukad: Ebasobiva soojuselevoolu probleemi lahendamiseks puuduliku väljaviigu tõttu lisatakse strateegiliselt rohkem aukasid ülemisele ja külgedele. Arvutused määravad optimaalse suuruse ja arvu, et maksimeerida õhuvoolu ja säilitada struktuurne tugevus:

• 80 ülemist auk (iga 1.0 m x 0.2 m);

• 20 külgauk (iga 2.0 m x 0.15 m).

Kabelite Sisseviik ja Õhuvoolu Optimeerimine:

• Ristkülikulised Sisseviigud: Ristkülikulised kabelite sisseviigud on masitakse raami aluse kanaliteraas, lihtsustades kabelite paigutamist ja parandades õhuvoolu tee.

• Lihvatav Alusplaat: Lihvatav alusplaat aitab kabelite juhtimist terminaalidele, säilitades samal ajal tõhusa tiheituse, tagades sisekomponentide kaitse.

Need optimeeringud tulevad välja struktureeritud, hästi eraldatud kabelite paigutusega, mis parandab nii soojuselevoolu kui ka süsteemi usaldusväärsust.

2 Katsete Kontroll
2.1 Katseplatvormi Paigutus

Soojuselevoolu disaini viisilikkuse kontrollimiseks ehitati katseplatvorm, mis kõikehõlmavalt simuleeris merepinnal asuva tuulipargi keskkonda. Kasutati kaks ventilaatorit, et imiteerida merebrise kiirust ja suunda. Katsevarustus on loetletud tabelis 1.

Merepinnal asuva tuulipargi keskkonna simuleerimiseks, kasutades ventilaatoreid merebrise kiiruse ja suuna imiteerimiseks, tuleb tähelepanu pöörata õhukiiruse ühtlusele ja suunaduurivalentsusele. Ühtlane õhukiirus on oluline kontrollkabineti soojuselevooluperformantsi täpse hindamiseks, ja mitmekesine õhusuund võimaldab täielikult simuleerida merepinnal asuva tuulipargi õhusuundide muutusi. Seega, katse käigus tuleb ventilaatoreid täpselt kontrollida, et õhukiirus ja -suund vastaksid tegelike merepinnal asuva tuulipargi omadustele.

2.2 Katseresultaatide ja Analüüsi

Merepinnal asuva tuulipargi tuuliturbiini pad-mountitud transformatorkontrollkasti soojuselevoolu optimeerimise järel määrati kontrollkasti erinevate osade soojuselevooluefektiivsus enne ja pärast optimeerimist, mis on näidatud tabelis 2.

2.3 Tulemused ja Arutelu

Tabeli 2 katserandmete põhjal näitab merepinnal asuva tuuliturbiini pad-mountitud transformatorkontrollkasti soojuselevooluefektiivsuse oluline paranemine optimeerimise järel:

• Oluliste Piirkondade Parandused:

• Ülemine ventilatsiooniauk: Efektiivsus tõusis 772 W·℃⁻¹-st 1,498 W·℃⁻¹-ni;

• Külgiine ventilatsiooniauk: Efektiivsus tõusis 735 W·℃⁻¹-st 1,346 W·℃⁻¹-ni;

• Kabelede sisseviik: Efektiivsus tõusis 892 W·℃⁻¹-st 1,683 W·℃⁻¹-ni.
  Need tulemused kinnitavad sunnitud külmõhukeste ja optimeeritud sisse- ja väljavihku disaini efektiivsust.

• Radiatoori Maksimaalne Parandus:
  Sisemise radiatori efektiivsus tõusis kõige märgatavamalt 980 W·℃⁻¹-st 1,975 W·℃⁻¹-ni, näitades optimeeritud säilitaja parameetrite ja kabineti struktuuri olulist rolli soojuselevooluperformantsi parandamisel.

3 Järeldus

See uurimus analüüsis merepinnal asuva tuulipargi raske keskkonna mõju kontrollkabineti soojuselevoolule. Soojuselevoolu põhimõtete juhendamisel pakuti välja sihikindel optimeerimisskeem, mida kontrolliti eksperimentaalselt. Optimeeritud disain parandab mitte ainult soojuselevooluefektiivsust ja vähendab sisekorgust, vaid ka parandab korrosioonivastust ja pikendab kasutusaega. Need meetmed pakkuvad tugevat tehnilist toetust merepinnal asuvate tuulipargide jätkusuure operatsioonile.