การออกแบบเพื่อการปรับปรุงความร้อนสำหรับตู้ควบคุมของหม้อแปลงที่ติดตั้งบนฐานในกังหันลมนอกชายฝั่ง

การเปลี่ยนแปลงพลังงานทั่วโลกช่วยเพิ่มกำลังผลิตจากกังหันลมทางทะเล แต่สภาพแวดล้อมทางทะเลที่ซับซ้อนทำให้ความเชื่อถือได้ของกังหันลดลง การระบายความร้อนของตู้ควบคุมหม้อแปลงแบบติดพื้น (PMTCCs) มีความสำคัญ—ความร้อนที่ไม่ได้ระบายจะทำให้ส่วนประกอบเสียหาย การปรับปรุงการระบายความร้อนของ PMTCCs ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกังหัน แต่การวิจัยส่วนใหญ่เน้นไปที่ฟาร์มกังหันบนบก ละเลยฟาร์มกังหันทางทะเล ดังนั้น ควรออกแบบ PMTCCs สำหรับสภาพแวดล้อมทางทะเลเพื่อเพิ่มความปลอดภัย

1 การปรับปรุงการระบายความร้อนของ PMTCC
1.1 เพิ่มอุปกรณ์ระบายความร้อน

สำหรับ PMTCCs ทางทะเล ควรเพิ่ม/ปรับปรุงอุปกรณ์ระบายความร้อนที่ปิดสนิทเพื่อรับแรงกระแทกจากการพ่นเกลือและความชื้น ติดตั้งข้างๆ หม้อแปลง เชื่อมต่อผ่านอินเทอร์เฟซพิเศษ เพื่อสร้างวงจรระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ การไหลของอากาศในอุปกรณ์: ดูรูปที่ 1.

เนื่องจากสภาพภูมิอากาศทางทะเลที่เฉพาะเจาะจงในฟาร์มกังหันลมทางทะเล เช่น อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างมาก ความชื้นสูง และการกัดกร่อนจากเกลือทะเล จึงมีความต้องการที่เข้มงวดมากขึ้นในการระบายความร้อนของตู้ควบคุมหม้อแปลง เพื่อให้การปรับปรุงการออกแบบฮีทซิงค์มีความแม่นยำ ศึกษาครั้งนี้ได้รวม ANSYS กับ MATLAB ใช้ขั้นตอนวิธีพันธุกรรมเพื่อปรับปรุงพารามิเตอร์ความกว้างของฮีทซิงค์

เนื่องจากข้อจำกัดของภาษาโปรแกรมพาราเมทริกใน ANSYS ที่ไม่สามารถรวมขั้นตอนวิธีการปรับปรุงได้โดยตรง จึงใช้ MATLAB เป็นตัวกลาง ผ่านการพัฒนาอินเทอร์เฟซการพัฒนาที่สองของ ANSYS ทำให้การเชื่อมต่อระหว่าง ANSYS และ MATLAB ไร้รอยต่อ สมมติว่าพื้นที่รวมของฮีทซิงค์คือ 0.36 ตร.ม. และความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างหลัง a_z และความกว้างขอบข้าง a_c ของฮีทซิงค์กำหนดเป็น:

ผ่านการคำนวณและจำลองรายละเอียด ความกว้างหลังที่เหมาะสมของฮีทซิงค์ถูกกำหนดไว้ที่ 0.235 เมตร พร้อมปรับความกว้างของฮีทซิงค์ข้างๆ ให้เป็น 1.532 เมตรตามลำดับ การปรับปรุงนี้ไม่เพียงแค่รักษาพื้นที่รวมของฮีทซิงค์ แต่ยังเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน

1.2 เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ

การระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับใช้พัดลมเพื่อเร่งการหมุนเวียนของอากาศ ขยายความแตกต่างของอุณหภูมิผ่านการพาความร้อนของอากาศเพื่อเพิ่มการระบายความร้อน ควบคุมอุณหภูมิของตู้อย่างปลอดภัย แต่ต้องเผชิญกับการสูญเสียแรงเสียดทานและสูญเสียภายในท่อ การปรับปรุงรวมถึงการขยายความกว้างของท่อจาก 100 ถึง 120 มม. และลดเส้นผ่านศูนย์กลางไฮดรอลิก ลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ น้ำมันที่เย็นลงกลับไปที่ถังผ่านท่อที่ด้านล่าง สร้างวงจรป้อนกลับสำหรับการระบายความร้อนคู่ ดูรูปที่ 2 สำหรับการหมุนเวียน

เพื่อปรับปรุงการระบายความร้อน โหมดการระบายความร้อน Oil Natural Air Forced (ONAF) ถูกเลือก พัดลมขับเคลื่อนการไหลของอากาศทำให้อากาศเย็นไหลจากด้านล่างขึ้นด้านบน ครอบคลุมพื้นผิวของฮีทซิงค์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1.3 การปรับปรุงทางเข้าและทางออกในห้องหม้อแปลงหลัก

ตามการสูญเสียพลังงานของตู้ควบคุมหม้อแปลงและการต่างอุณหภูมิที่คาดหวังระหว่างทางเข้าและทางออก ปริมาณการไหลของอากาศถูกคำนวณโดยใช้หลักการเทอร์โมไดนามิกส์ สูตรสำหรับปริมาณการไหลของอากาศ V คือ:

ในสูตร:

• Q คือ การกระจายความร้อนต่อหน่วยเวลา;

• ρ คือ ความหนาแน่นของอากาศ;

• b คือ ความจุความร้อน;

• ΔT คือ ความต่างของอุณหภูมิระหว่างทางเข้าและทางออก.

เนื่องจากความเป็นไปได้ของการลดประสิทธิภาพการระบายอากาศ ปริมาณการไหลของอากาศที่วัดได้ถูกตั้งค่าเป็น 1.6V สูตรสำหรับการคำนวณพื้นที่ทางเข้าที่มีประสิทธิภาพ A คือ:

ที่ <span class="container-YQu5sM math-inline single-afuC4w" data-custom-copy-text="v">v</span> แทนความเร็วของอากาศทั้งทางเข้าและทางออก หลังจากที่ระบุการสูญเสียพลังงานของตู้ควบคุมหม้อแปลงและกำหนดความต่างของอุณหภูมิที่คาดหวังระหว่างทางเข้าและทางออก ปริมาณการไหลของอากาศ V ถูกคำนวณโดยใช้หลักการเทอร์โมไดนามิกส์ ในที่สุด ขนาดเฉพาะของทางเข้าและทางออกถูกออกแบบตามปริมาณการไหลของอากาศ V:

• ทางเข้า: ความกว้าง 0.200 เมตร และความสูง 0.330 เมตร;

• ทางออก: ความกว้าง 0.250 เมตร และความสูง 0.264 เมตร.

การวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างการสูญเสียแรงดันทางเข้าและพื้นที่เปิดเผยให้เห็นว่า การเพิ่มพื้นที่เปิดสามารถลดการสูญเสียแรงดันของแก๊สได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน ภายใต้เงื่อนไขของการรักษาความแข็งแรงโครงสร้างของตู้ควบคุม พื้นที่เปิดทางเข้าถูกตั้งค่าเป็น 0.066 ตร.ม. เพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายอากาศที่มีประสิทธิภาพ ใช้วิธีการผสมผสานระหว่างตะแกรงและฝาครอบแบบลูเวอร์เพื่อเพิ่มช่องทางระบายอากาศขณะป้องกันการเข้าของฝุ่นและฝน ในส่วนล่างของห้องหม้อแปลงหลัก ติดตั้งหน้าต่างทางเข้าอากาศเพิ่มเติมประมาณ 40 ซม. จากระดับพื้นเพื่อขยายพื้นที่ทางเข้า

บนพื้นฐานหลักการของการดูดอากาศจากด้านล่างและปล่อยอากาศจากด้านบน การวางตำแหน่งทางเข้าและทางออกถูกปรับปรุง ทางเข้าถูกตั้งไว้ที่ส่วนล่างของห้องหม้อแปลงหลัก และทางออกตั้งอยู่ที่ส่วนบน สร้างการไหลเวียนของอากาศธรรมชาติ ทำให้อากาศร้อนลอยขึ้นและถูกปล่อยออกจากทางออก ในขณะที่อากาศเย็นเข้ามาทางทางเข้า สร้างการไหลเวียนของอากาศที่มีประสิทธิภาพเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน

1.4 การปรับปรุงโครงสร้างตู้ควบคุม

เพื่อแก้ไขปัญหาเฉพาะเจาะจงของเกลือ ความชื้น และสารกัดกร่อนในฟาร์มกังหันลมทางทะเล ใช้วัสดุป้องกันการกัดกร่อนประสิทธิภาพสูงและเทคโนโลยีการปิดผนึกขั้นสูงเพื่อเพิ่มการป้องกันโดยรวมของตู้ควบคุม

การออกแบบการระบายความร้อนที่เพิ่มขึ้น:

• ช่องระบายอากาศที่ปรับปรุง: เพื่อแก้ไขปัญหาการระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอเนื่องจากช่องระบายอากาศไม่เพียงพอ ทำการติดตั้งช่องระบายอากาศเพิ่มเติมบนด้านบนและด้านข้าง การคำนวณเพื่อกำหนดขนาดและจำนวนที่เหมาะสมเพื่อเพิ่มการไหลของอากาศในขณะที่รักษาความแข็งแรงของโครงสร้าง:

• 80 ช่องระบายอากาศที่ติดตั้งบนด้านบน (1.0 ม. x 0.2 ม. แต่ละช่อง);

• 20 ช่องระบายอากาศที่ติดตั้งบนด้านข้าง (2.0 ม. x 0.15 ม. แต่ละช่อง).

การเข้าของสายเคเบิลและการปรับปรุงการไหลของอากาศ:

• ช่องทางเข้าสี่เหลี่ยม: ช่องทางเข้าสายเคเบิลที่เป็นสี่เหลี่ยมถูกขึ้นรูปในโครงเหล็กฐาน ทำให้ง่ายต่อการติดตั้งสายเคเบิลและเพิ่มเส้นทางการไหลของอากาศ

• แผ่นฐานเลื่อน: แผ่นฐานที่เลื่อนได้ช่วยในการวางสายเคเบิลไปยังเทอร์มินัลในขณะที่รักษาการปิดผนึกที่มีประสิทธิภาพ ทำให้ส่วนประกอบภายในได้รับการปกป้อง

การปรับปรุงเหล่านี้ทำให้การวางสายเคเบิลที่มีโครงสร้างและแยกส่วนอย่างชัดเจน ซึ่งช่วยเพิ่มการจัดการความร้อนและความน่าเชื่อถือของระบบ

2 การตรวจสอบทดลอง
2.1 การตั้งค่าทดลอง

เพื่อยืนยันความเป็นไปได้ของการออกแบบการระบายความร้อน ได้สร้างแพลตฟอร์มทดลองเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมของฟาร์มกังหันลมทางทะเลอย่างครอบคลุม ใช้พัดลมสองตัวเพื่อจำลองความเร็วและทิศทางของลมทางทะเล อุปกรณ์ทดลองแสดงในตาราง 1

เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมของฟาร์มกังหันลมทางทะเล เมื่อใช้พัดลมเพื่อจำลองความเร็วและทิศทางของลม ควรให้ความสนใจกับความสม่ำเสมอของความเร็วลมและการหลากหลายของทิศทาง ความสม่ำเสมอของความเร็วลมมีความสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพการระบายความร้อนของตู้ควบคุม และทิศทางที่หลากหลายสามารถจำลองการเปลี่ยนแปลงของทิศทางลมทางทะเลได้อย่างครอบคลุม ดังนั้น ในการทดลอง ต้องควบคุมพัดลมอย่างแม่นยำเพื่อให้ความเร็วและทิศทางลมสอดคล้องกับลักษณะของฟาร์มกังหันลมทางทะเลจริง

2.2 ผลการทดลองและการวิเคราะห์

หลังจากปรับปรุงการระบายความร้อนของตู้ควบคุมหม้อแปลงแบบติดพื้นในฟาร์มกังหันลมทางทะเล ได้บันทึกประสิทธิภาพการระบายความร้อนของส่วนต่างๆ ของตู้ควบคุมก่อนและหลังการปรับปรุง ดังแสดงในตาราง 2

2.3 ผลลัพธ์และการอภิปราย

ตามข้อมูลทดลองในตาราง 2 ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของตู้ควบคุมหม้อแปลงแบบติดพื้นในฟาร์มกังหันลมทางทะเลแสดงการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากปรับปรุง:

• การปรับปรุงพื้นที่สำคัญ:

• ช่องระบายอากาศด้านบน: ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นจาก 772 W&middot;℃⁻&sup1; เป็น 1,498 W&middot;℃⁻&sup1;;

• ช่องระบายอากาศด้านข้าง: ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นจาก 735 W&middot;℃⁻&sup1; เป็น 1,346 W&middot;℃⁻&sup1;;

• พื้นที่ทางเข้าของสายเคเบิล: ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นจาก 892 W&middot;℃⁻&sup1; เป็น 1,683 W&middot;℃⁻&sup1;.
  ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความมีประสิทธิภาพของระบบอากาศเย็นบังคับและการออกแบบทางเข้า/ทางออกที่ปรับปรุงแล้ว

• การปรับปรุงสูงสุดในฮีทซิงค์:
  ประสิทธิภาพของฮีทซิงค์ภายในเพิ่มขึ้นมากที่สุด&mdash;จาก 980 W&middot;℃⁻&sup1; เป็น 1,975 W&middot;℃⁻&sup1;&mdash;แสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของการปรับปรุงพารามิเตอร์ของฟินและโครงสร้างตู้ในการเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

3 สรุป

การศึกษานี้วิเคราะห์ผลกระทบของสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากของฟาร์มกังหันลมทางทะเลต่อการระบายความร้อนของตู้ควบคุม โดยใช้หลักการถ่ายเทความร้อน ได้เสนอแผนการปรับปรุงที่มุ่งเป้าและตรวจสอบทดลอง การออกแบบที่ปรับปรุงไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนและลดอุณหภูมิภายใน แต่ยังเพิ่มความสามารถในการป้องกันการกัดกร่อนและขยายอายุการใช้งาน มาตรการเหล่านี้ให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่แข็งแกร่งสำหรับการดำเนินงานอย่างยั่งยืนของฟาร์มกังหันลมทางทะเล