عنوان: پایان نامه بررسي عددي انتقال حرارت و جريان سيال در ترانسفورماتورهاي قدرت به كمك نرم افزار فلوئنت Floint، مهندسي مکانیک

رشته:  پروژه پایانی دوره کارشناسی‌،مهندسی مکانيک گرايش حرارت و سيالات

فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحه: 84

چکیده:
در اين پايان نامه مطالعاتي در مورد انتقال حرارت و جريان سيال در ترانسفورماتور كاهنده‌ي سه فاز انجام شده است. براي ساده كردن مطالعات و شبيه سازي راحت‌تر، ترانسفورماتوري كه شامل دو سيم‌پيچ در اطراف هسته است انتخاب شد. جريان فوكو باعث توليد حرارت ناخواسته‌اي در ترانسفورماتورها مي شود كه از ديد اقتصادي و ايمني، لازم است كه تراسفورماتورها را خنك كرده تا از خرابي آنها جلوگيري شود. براي رسيدن به اين هدف بررسي عددي براي سه هندسه‌ي مختلف از نظر چيدمان عايق‌ها براي ترانسفورماتورها با شش نرخ جريان ورودي مختلف مورد بررسي قرار گرفته شد و نتايج حاصل به طور كيفي با مرجع ]1[ مورد مقايسه قرار گرفته و اطمينان از درستي جواب حاصل شد. در هندسه‌ي چهارم بهينه‌سازي انتقال حرارت در حالت سوم مورد بررسي قرار گرفت و با تغيير ابعاد كانال‌ها دماي ماكزيمم روغن كاهش داده شد. خواص فيزيكي سيال به صورت تابعي از دما فرض شد. در حالت پايدار روش حجم كنترل براي حل معادلات پيوستگي ، مومنتوم و انرژي مورد استفاده قرار گرفت. مشاهدات نشان داد كه ساختار جريان سيال بسيار پيچيده بوده و تابع شكل نمونه مي باشد به طوريكه ايجاد گردابه‌هايي در زير بعضي از كانال‌ها نتايج غير قابل انتظاري را به وجود مي‌آورد. در بعضي از نمونه‌ها چرخش جريان در پايين و بالاي سيم‌پيچ‌ها مشاهده شد كه باعث اختلاط بهتر سيال و در نتيجه يكنواخت‌تر شدن توزيع دما در محفظه‌ي ترانس گرديد.

فهرست مطالب
عنوان
مقدمه
فصل اول: معرفي ترانسفورماتورها
1-1- تلفات در ترانسفورماتورها
1-1-1- مقاومت سيم‌پيچ‌ها
1-1-2- تلفات هيسترزيس
1-1-3- تلفات فوكو (تلفات جريان گردابي)
1-1-4- الاستيسيته‌ي مغناطيسي
1-1-5- تلفات مكانيكي
1-1-6- تلفات جريان سرگردان(نشتي)
1-2- ساختمان ترانسفورماتورها
1-2-1- هسته يا مدار مغناطيسي
1-2-2- انواع سيم‌پيچ‌ها
1-3- عايق بندي در سيم‌پيچ‌ها
1-4- تانك يا ظرف ترانسفورماتور روغني
فصل دوم: خنك‌كاري ترانسفورماتورها
2-1- پيري و عمر عايقي ترانسفورماتورها
2-2- خنك‌كاري ترانسفورماتورها
2-2-1- سيستم ONAN
2-2-2- سيستم ONAF
2-2-3- سيستم OFAF
2-2-4- سيستم OFWF
2-2-5- سيستم ODWF
2-3- روغن ترانسفورماتورها
2-3-1- زوال و از هم پاشيدگي روغن
2-3-2- تجزیه و تحلیل گازها برای آشکار کردن نقصهای ابتدایی در ترانسفورماتور
2-3-3- نظارت بر روغن و رطوبت گیر
2-3-4- ترکیب روغن ها
2-3-5- احياء روغن ترانسفورماتورها
2-3-6- عوامل پيري روغن
فصل سوم: تحليل عددي و صحت سنجي نتايج
3-1- توصيف ترانسفورماتور انتخابي
3-2- مدل‌سازي در نرم‌افزار فلوئنت
3-3- صحت سنجي نتايج
فصل چهارم: نتايج عددي و بهينه‌سازي ترانسفورماتور
4-1- حالت اول
4-2- حالت دوم
4-3- حالت سوم
4-4- بهينه‌سازي ترانسفورماتور سه فاز با دو عايق طولي
4-5- حالت چهارم
جمع بندی و نتیجه گیری:
منابع :
فهرست اشکال
عنوان

شكل1-1: سيكل هيسترزيس
شكل 1-2: هسته به فرم نواري
شكل 1-3: هسته به فرم ورقه‌اي
شكل1-4: ترانسفورماتور نوع زرهي
شكل 1-5: ترانسفورماتور نوع هسته‌اي
شكل 1-6: سيم‌پيچي ديسكي
شکل 2-1: سیستم خنک کن onan
شکل 2-2: ساختاری برای ایجاد هد حرارتی بیشتر
شکل 2-3: سیستم خنک کن ofaf
شكل3-1: برش مقطع طولي ترانسفورماتور
شكل4-1: كانتور دما، نمودار دما در ديواره‌ي هسته و سيم‌پيچي‌ها، كانتور تابع جريان براي حالت اول
شكل 4-2: كانتور دما، نمودار دما در ديواره‌ي هسته و سيم‌پيچي‌ها، كانتور تابع جريان براي حالت اول
شكل 4-3: كانتور دما، نمودار دما در ديواره‌ي هسته و سيم‌پيچي‌ها، كانتور تابع جريان براي حالت اول
نمودار4-1: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت اول
شكل 4-4: كانتور دما، نمودار دما در ديواره‌ي هسته و سيم‌پيچي‌ها، كانتور تابع جريان براي حالت دوم
شكل 4-5 : كانتور دما، نمودار دما در ديواره‌ي هسته و سيم‌پيچي‌ها، كانتور تابع جريان براي حالت دوم
شكل4-6: كانتور دما، نمودار دما در ديواره‌ي هسته و سيم‌پيچي‌ها، كانتور تابع جريان براي حالت دوم
نمودار 4-2: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت دوم
شكل 4-7: (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 5/0 متر بر ثانيه در حالت سوم
شكل 4-8: (الف) كانتور سرعت،(ب) كانتور دما ،(پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 7/0 متر بر ثانيه در حالت سوم
شكل 4-9 : (الف) كانتور سرعت،(ب) كانتور دما ،(پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 0/1 متر بر ثانيه در حالت سوم
شكل 5-10: (الف) كانتور سرعت،(ب) كانتور دما ،(پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 25/1متر بر ثانيه در حالت سوم
شكل 4-11: (الف) كانتور سرعت،(ب) كانتور دما ،(پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 5/1 متر بر ثانيه در حالت سوم
شكل 4-12: (الف) كانتور سرعت،(ب) كانتور دما ،(پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 7/1 متر بر ثانيه در حالت سوم
نمودار4-3 : دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت سوم
شكل 4-13: (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 5/0 متر بر ثانيه در حالت چهارم
شكل 4-14 : (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 7/0 متر بر ثانيه در حالت چهارم
شكل 4-15: (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 0/1 متر بر ثانيه در حالت چهارم
شكل 4-16: (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 25/1 متر بر ثانيه در حالت چهارم
شكل 4-17: (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 5/1 متر بر ثانيه در حالت چهارم
شكل 4-18: (الف) كانتور سرعت، (ب) كانتور دما، (پ) تابع جريان و (ت) نمودار توزيع دمايي بر روي ديواره‌هاي هسته، سيم‌پيچي اوليه و ثانويه براي سرعت ورودي 7/1 متر بر ثانيه در حالت چهارم
نمودار 4-4 : دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت چهارم
نمودار4-5: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي 5/0 و 7/0 متر بر ثانيه براي حالت‌هاي سوم و چهارم
نمودار4-6 : دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي 0/1 و 25/1 متر بر ثانيه براي حالت‌هاي سوم و چهارم
نمودار4-7: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي5/1 و 7/1 متر بر ثانيه براي حالت‌هاي سوم و چهارم

فهرست نمودار
عنوان
نمودار4-1: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت اول
نمودار 4-2: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت دوم
نمودار4-3 : دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت سوم
نمودار 4-4 : دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي متفاوت در حالت چهارم
نمودار4-5: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي 5/0 و 7/0 متر بر ثانيه براي حالت‌هاي سوم و چهارم
نمودار4-6 : دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي 0/1 و 25/1 متر بر ثانيه براي حالت‌هاي سوم و چهارم
نمودار4-7: دماي ماكزيمم در كانال‌هاي مختلف براي سرعت‌هاي ورودي5/1 و 7/1 متر بر ثانيه براي حالت‌هاي سوم و چهارم

مقدمه

اولين گام براي ساخت ترانسفورماتورهاي امروزي، آزمايشات با سيم‌پيچ‌هاي القايي بوده است. آنچه كه به عنوان اصول اوليه‌ي ترانسفورماتور شناخته مي‌شود در سال 1831 توسط مايكل فارادي در اثبات تجربي القاي الكترومغناطيس بدست آمد. اولين سيم‌پيچ القايي كه سبب استفاده‌ي گسترده از آن شد، توسط نيكولاس كالان از كالج ماينوت ايرلند در سال 1836 ساخته شد. وي يكي از اولين محققاني بود كه دريافت هر چه تعداد دورهاي سيم‌پيچ ثانويه كه در ارتباط با سيم پيچ اوليه است بيشتر باشد نيروي الكترو مغناطيسي نيز افزايش خواهد يافت. سيم‌پيچ‌هاي القايي نتيجه‌ي تلاش‌هاي دانشمندان و مخترعين براي به دست آوردن ولتاژ بيشتر از باتري‌ها بوده است. پيش از استفاده از جريان متناوب، تلاش‌هاي آنها بر افتومات (قطع و وصل) جريان كه معمولا شار جريان مستقيم را از باتري‌ها قطع مي‌كرد تكيه داشت. بين دهههاي 1830 و1870 تلاش‌ها براي ساختن سيم‌پيچ‌هاي القاييِ بهتر همراه با سعي و خطا، اصول اوليه‌ي ترانسفورماتورها را آشكار كرد.
طرح هاي عملي كارآمدي تا دهه‌ي 1880 به دست نيامد، ولي در طول يك دهه، ترانسفورماتورها در “جنگ جريان‌ها” پيروز شده و سيستم هاي توزيع جريان متناوب بر رقيب جريان مستقيم خود غالب شدند و تا امروز نيز باقي ماندند.
در سال 1876 مهندس روسي پاول يابلوچكوف سيستم‌هاي روشنايي بر اساس چيدماني از سيم پيچ هاي القايي ابداع كرد كه سيم پيچ اوليه به منبع جريان متناوب و سيم پيچ ثانويه به “شمع هاي الكتريكي” ساخته‌ي خودش متصل مي‌شد.
سيم پيچ هاي اين سيستم مانند يك ترانسفورماتور ابتدايي بودند. اين سيستم قادر بود منابع مختلفي را براي لوازم برقي روشنايي مختلف با روشنايي‌هاي متفاوت از يك منبع واحد الكتريكي تامين نمايد.
لوسين گلارد و جان ديكسن گيبس ابتدا وسيله اي را با هسته ي آهني باز كه “ژنراتور ثانويه” خوانده مي‌شد در لندن در سال 1882 به نمايش گذاشتند، سپس اين ايده را به كارخانه وستينگ هاوس در ايالات متحده فروختند. آنان همچنين اختراع خود را در ايتاليا نيز به نمايش گذاشتند كه طرح آن‌ها با هدف سيستم روشنايي الكتريكي پذيرفته شد.
سيم‌پيچ هاي القايي با مدار مغناطيسي باز به منظور انتقال قدرت بازده كمي دارند. از طرفي روش‌هاي مختلف تنظيم هسته‌ها و يا گذر جريان مغناطيسي به دور بخشي از سيم‌پيچ توسعه يافتند. حدود سال 1880 الگوي انتقال قدرت جريان متناوب از منبع ولتاژ بالا به بار ولتاژ پايين داراي مدار سري بود. در عمل ورودي‌هاي سيم‌پيچ‌هاي زيادي با نسبت 1:1 به صورت سري به يكديگر وصل مي‌شدند. به طوري كه ولتاژ بالا براي انتقال و ولتاژ پايين براي لامپ استفاده مي‌شد. تنها عيب اين سيستم اين بود كه خاموش كردن يك لامپ در سيستم باعث خاموش شدن مدار مي‌شد كه در ادامه بسياري از طرح‌هاي مختلف براي سيم‌پيچ‌ها براي رفع اين مشكل ارائه شدند.
بين سال‌هاي 1884 و 1885 مهندسين دري، بلاتي، زيپرنوسكي و هانگارين از كارخانه‌ي گانز در بوداپست مدل “زد بي دي” هسته بسته‌اي را اختراع كردند كه بر پايه‌ي ساخته‌ي گلارد و گيبس كه مدل هسته باز را اختراع كرده بودند، استوار بود. در ترانسفورماتور هسته بسته، هسته‌ي آهني يك حلقه‌ي بسته است كه دو سيم پيچ بطور يكنواخت بر روي آن قرار مي‌گيرند. در نوع ترانسفورماتور پوسته كابل‌هاي القاي مسي از درون هسته عبور مي كنند. در هر دو طراحي شار مغناطيسي كه از سيم پيچ اوليه به ثانويه مي‌رود در كل هسته‌ي آهني وجود داشت. به واسطه‌ي اين اختراع، امكان ايجاد روشنايي اقتصادي و ارزان در صنعت و مصارف خانگي ايجاد شد.
در فصل دوم اين پايان‌نامه، معرفي مقدماتي ترانسفورماتور‌ها، عوامل توليد حرارت و تلفات در ترانسفورماتورها و نيز بخش‌هاي مختلف تشكيل دهنده‌ي ترانسفورماتور به طور كامل شرح داده شده است. در فصل سوم روش‌هاي مختلف خنك‌كاري در ترانسفورماتورها و اهميت اين كار شرح داده مي‌شود. علاوه بر اين موارد در اين فصل روابط تجربي مختلفي براي بررسي تاثير دما بر عمر ترانسفورماتور ارائه شده است. در فصل چهارم به معرفي ترانسفورماتور انتخاب شده براي تحليل پرداخته مي‌شود و روش استفاده شده براي مدل‌سازي اين ترانسفورماتور در نرم افزار فلوئنت به طور كامل در اين فصل بيان مي‌شود. در فصل پنجم نتايج حاصل از نرم‌افزار فلوئنت براي سه هندسه‌ي مختلف آورده شده است. در ادامه اين فصل تحليل داده‌هاي به دست آمده از نرم‌افزار فلوئنت براي سه حالت مذكور بيان شده است و از نتايج حاصل از اين داده‌ها براي بهينه سازي ترانسفورماتور(حالت چهارم) استفاده شده است.

این پایان نامه با آیین نامه نحوه نگارش و تدوین پایان نامه تهیه شده و آماده ارائه میباشد.