پایان نامه بررسی عددی انتقال حرارت و جریان سیال در ترانسفورماتورهای قدرت به کمک نرم افزار فلوئنت Floint، مهندسی مکانیک
عنوان: پایان نامه بررسی عددی انتقال حرارت و جریان سیال در ترانسفورماتورهای قدرت به کمک نرم افزار فلوئنت Floint، مهندسی مکانیک
رشته: پروژه پایانی دوره کارشناسی،مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات
فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحه: ۸۴
چکیده:
در این پایان نامه مطالعاتی در مورد انتقال حرارت و جریان سیال در ترانسفورماتور کاهنده‌ی سه فاز انجام شده است. برای ساده کردن مطالعات و شبیه سازی راحت‌تر، ترانسفورماتوری که شامل دو سیم‌پیچ در اطراف هسته است انتخاب شد. جریان فوکو باعث تولید حرارت ناخواسته‌ای در ترانسفورماتورها می شود که از دید اقتصادی و ایمنی، لازم است که تراسفورماتورها را خنک کرده تا از خرابی آنها جلوگیری شود. برای رسیدن به این هدف بررسی عددی برای سه هندسه‌ی مختلف از نظر چیدمان عایق‌ها برای ترانسفورماتورها با شش نرخ جریان ورودی مختلف مورد بررسی قرار گرفته شد و نتایج حاصل به طور کیفی با مرجع ]۱[ مورد مقایسه قرار گرفته و اطمینان از درستی جواب حاصل شد. در هندسه‌ی چهارم بهینه‌سازی انتقال حرارت در حالت سوم مورد بررسی قرار گرفت و با تغییر ابعاد کانال‌ها دمای ماکزیمم روغن کاهش داده شد. خواص فیزیکی سیال به صورت تابعی از دما فرض شد. در حالت پایدار روش حجم کنترل برای حل معادلات پیوستگی ، مومنتوم و انرژی مورد استفاده قرار گرفت. مشاهدات نشان داد که ساختار جریان سیال بسیار پیچیده بوده و تابع شکل نمونه می باشد به طوریکه ایجاد گردابه‌هایی در زیر بعضی از کانال‌ها نتایج غیر قابل انتظاری را به وجود می‌آورد. در بعضی از نمونه‌ها چرخش جریان در پایین و بالای سیم‌پیچ‌ها مشاهده شد که باعث اختلاط بهتر سیال و در نتیجه یکنواخت‌تر شدن توزیع دما در محفظه‌ی ترانس گردید.
فهرست مطالب
عنوان
مقدمه
فصل اول: معرفی ترانسفورماتورها
۱-۱- تلفات در ترانسفورماتورها
۱-۱-۱- مقاومت سیم‌پیچ‌ها
۱-۱-۲- تلفات هیسترزیس
۱-۱-۳- تلفات فوکو (تلفات جریان گردابی)
۱-۱-۴- الاستیسیته‌ی مغناطیسی
۱-۱-۵- تلفات مکانیکی
۱-۱-۶- تلفات جریان سرگردان(نشتی)
۱-۲- ساختمان ترانسفورماتورها
۱-۲-۱- هسته یا مدار مغناطیسی
۱-۲-۲- انواع سیم‌پیچ‌ها
۱-۳- عایق بندی در سیم‌پیچ‌ها
۱-۴- تانک یا ظرف ترانسفورماتور روغنی
فصل دوم: خنک‌کاری ترانسفورماتورها
۲-۱- پیری و عمر عایقی ترانسفورماتورها
۲-۲- خنک‌کاری ترانسفورماتورها
۲-۲-۱- سیستم ONAN
۲-۲-۲- سیستم ONAF
۲-۲-۳- سیستم OFAF
۲-۲-۴- سیستم OFWF
۲-۲-۵- سیستم ODWF
۲-۳- روغن ترانسفورماتورها
۲-۳-۱- زوال و از هم پاشیدگی روغن
۲-۳-۲- تجزیه و تحلیل گازها برای آشکار کردن نقصهای ابتدایی در ترانسفورماتور
۲-۳-۳- نظارت بر روغن و رطوبت گیر
۲-۳-۴- ترکیب روغن ها
۲-۳-۵- احیاء روغن ترانسفورماتورها
۲-۳-۶- عوامل پیری روغن
فصل سوم: تحلیل عددی و صحت سنجی نتایج
۳-۱- توصیف ترانسفورماتور انتخابی
۳-۲- مدل‌سازی در نرم‌افزار فلوئنت
۳-۳- صحت سنجی نتایج
فصل چهارم: نتایج عددی و بهینه‌سازی ترانسفورماتور
۴-۱- حالت اول
۴-۲- حالت دوم
۴-۳- حالت سوم
۴-۴- بهینه‌سازی ترانسفورماتور سه فاز با دو عایق طولی
۴-۵- حالت چهارم
جمع بندی و نتیجه گیری:
منابع :
فهرست اشکال
عنوان
شکل۱-۱: سیکل هیسترزیس
شکل ۱-۲: هسته به فرم نواری
شکل ۱-۳: هسته به فرم ورقه‌ای
شکل۱-۴: ترانسفورماتور نوع زرهی
شکل ۱-۵: ترانسفورماتور نوع هسته‌ای
شکل ۱-۶: سیم‌پیچی دیسکی
شکل ۲-۱: سیستم خنک کن onan
شکل ۲-۲: ساختاری برای ایجاد هد حرارتی بیشتر
شکل ۲-۳: سیستم خنک کن ofaf
شکل۳-۱: برش مقطع طولی ترانسفورماتور
شکل۴-۱: کانتور دما، نمودار دما در دیواره‌ی هسته و سیم‌پیچی‌ها، کانتور تابع جریان برای حالت اول
شکل ۴-۲: کانتور دما، نمودار دما در دیواره‌ی هسته و سیم‌پیچی‌ها، کانتور تابع جریان برای حالت اول
شکل ۴-۳: کانتور دما، نمودار دما در دیواره‌ی هسته و سیم‌پیچی‌ها، کانتور تابع جریان برای حالت اول
نمودار۴-۱: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت اول
شکل ۴-۴: کانتور دما، نمودار دما در دیواره‌ی هسته و سیم‌پیچی‌ها، کانتور تابع جریان برای حالت دوم
شکل ۴-۵ : کانتور دما، نمودار دما در دیواره‌ی هسته و سیم‌پیچی‌ها، کانتور تابع جریان برای حالت دوم
شکل۴-۶: کانتور دما، نمودار دما در دیواره‌ی هسته و سیم‌پیچی‌ها، کانتور تابع جریان برای حالت دوم
نمودار ۴-۲: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت دوم
شکل ۴-۷: (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۵/۰ متر بر ثانیه در حالت سوم
شکل ۴-۸: (الف) کانتور سرعت،(ب) کانتور دما ،(پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۷/۰ متر بر ثانیه در حالت سوم
شکل ۴-۹ : (الف) کانتور سرعت،(ب) کانتور دما ،(پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۰/۱ متر بر ثانیه در حالت سوم
شکل ۵-۱۰: (الف) کانتور سرعت،(ب) کانتور دما ،(پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۲۵/۱متر بر ثانیه در حالت سوم
شکل ۴-۱۱: (الف) کانتور سرعت،(ب) کانتور دما ،(پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۵/۱ متر بر ثانیه در حالت سوم
شکل ۴-۱۲: (الف) کانتور سرعت،(ب) کانتور دما ،(پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۷/۱ متر بر ثانیه در حالت سوم
نمودار۴-۳ : دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت سوم
شکل ۴-۱۳: (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۵/۰ متر بر ثانیه در حالت چهارم
شکل ۴-۱۴ : (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۷/۰ متر بر ثانیه در حالت چهارم
شکل ۴-۱۵: (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۰/۱ متر بر ثانیه در حالت چهارم
شکل ۴-۱۶: (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۲۵/۱ متر بر ثانیه در حالت چهارم
شکل ۴-۱۷: (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۵/۱ متر بر ثانیه در حالت چهارم
شکل ۴-۱۸: (الف) کانتور سرعت، (ب) کانتور دما، (پ) تابع جریان و (ت) نمودار توزیع دمایی بر روی دیواره‌های هسته، سیم‌پیچی اولیه و ثانویه برای سرعت ورودی ۷/۱ متر بر ثانیه در حالت چهارم
نمودار ۴-۴ : دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت چهارم
نمودار۴-۵: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی ۵/۰ و ۷/۰ متر بر ثانیه برای حالت‌های سوم و چهارم
نمودار۴-۶ : دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی ۰/۱ و ۲۵/۱ متر بر ثانیه برای حالت‌های سوم و چهارم
نمودار۴-۷: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی۵/۱ و ۷/۱ متر بر ثانیه برای حالت‌های سوم و چهارم
فهرست نمودار
عنوان
نمودار۴-۱: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت اول
نمودار ۴-۲: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت دوم
نمودار۴-۳ : دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت سوم
نمودار ۴-۴ : دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی متفاوت در حالت چهارم
نمودار۴-۵: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی ۵/۰ و ۷/۰ متر بر ثانیه برای حالت‌های سوم و چهارم
نمودار۴-۶ : دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی ۰/۱ و ۲۵/۱ متر بر ثانیه برای حالت‌های سوم و چهارم
نمودار۴-۷: دمای ماکزیمم در کانال‌های مختلف برای سرعت‌های ورودی۵/۱ و ۷/۱ متر بر ثانیه برای حالت‌های سوم و چهارم
مقدمه
اولین گام برای ساخت ترانسفورماتورهای امروزی، آزمایشات با سیم‌پیچ‌های القایی بوده است. آنچه که به عنوان اصول اولیه‌ی ترانسفورماتور شناخته می‌شود در سال ۱۸۳۱ توسط مایکل فارادی در اثبات تجربی القای الکترومغناطیس بدست آمد. اولین سیم‌پیچ القایی که سبب استفاده‌ی گسترده از آن شد، توسط نیکولاس کالان از کالج ماینوت ایرلند در سال ۱۸۳۶ ساخته شد. وی یکی از اولین محققانی بود که دریافت هر چه تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه که در ارتباط با سیم پیچ اولیه است بیشتر باشد نیروی الکترو مغناطیسی نیز افزایش خواهد یافت. سیم‌پیچ‌های القایی نتیجه‌ی تلاش‌های دانشمندان و مخترعین برای به دست آوردن ولتاژ بیشتر از باتری‌ها بوده است. پیش از استفاده از جریان متناوب، تلاش‌های آنها بر افتومات (قطع و وصل) جریان که معمولا شار جریان مستقیم را از باتری‌ها قطع می‌کرد تکیه داشت. بین دهههای ۱۸۳۰ و۱۸۷۰ تلاش‌ها برای ساختن سیم‌پیچ‌های القاییِ بهتر همراه با سعی و خطا، اصول اولیه‌ی ترانسفورماتورها را آشکار کرد.
طرح های عملی کارآمدی تا دهه‌ی ۱۸۸۰ به دست نیامد، ولی در طول یک دهه، ترانسفورماتورها در “جنگ جریان‌ها” پیروز شده و سیستم های توزیع جریان متناوب بر رقیب جریان مستقیم خود غالب شدند و تا امروز نیز باقی ماندند.
در سال ۱۸۷۶ مهندس روسی پاول یابلوچکوف سیستم‌های روشنایی بر اساس چیدمانی از سیم پیچ های القایی ابداع کرد که سیم پیچ اولیه به منبع جریان متناوب و سیم پیچ ثانویه به “شمع های الکتریکی” ساخته‌ی خودش متصل می‌شد.
سیم پیچ های این سیستم مانند یک ترانسفورماتور ابتدایی بودند. این سیستم قادر بود منابع مختلفی را برای لوازم برقی روشنایی مختلف با روشنایی‌های متفاوت از یک منبع واحد الکتریکی تامین نماید.
لوسین گلارد و جان دیکسن گیبس ابتدا وسیله ای را با هسته ی آهنی باز که “ژنراتور ثانویه” خوانده می‌شد در لندن در سال ۱۸۸۲ به نمایش گذاشتند، سپس این ایده را به کارخانه وستینگ هاوس در ایالات متحده فروختند. آنان همچنین اختراع خود را در ایتالیا نیز به نمایش گذاشتند که طرح آنها با هدف سیستم روشنایی الکتریکی پذیرفته شد.
سیم‌پیچ های القایی با مدار مغناطیسی باز به منظور انتقال قدرت بازده کمی دارند. از طرفی روش‌های مختلف تنظیم هسته‌ها و یا گذر جریان مغناطیسی به دور بخشی از سیم‌پیچ توسعه یافتند. حدود سال ۱۸۸۰ الگوی انتقال قدرت جریان متناوب از منبع ولتاژ بالا به بار ولتاژ پایین دارای مدار سری بود. در عمل ورودی‌های سیم‌پیچ‌های زیادی با نسبت ۱:۱ به صورت سری به یکدیگر وصل می‌شدند. به طوری که ولتاژ بالا برای انتقال و ولتاژ پایین برای لامپ استفاده می‌شد. تنها عیب این سیستم این بود که خاموش کردن یک لامپ در سیستم باعث خاموش شدن مدار می‌شد که در ادامه بسیاری از طرح‌های مختلف برای سیم‌پیچ‌ها برای رفع این مشکل ارائه شدند.
بین سال‌های ۱۸۸۴ و ۱۸۸۵ مهندسین دری، بلاتی، زیپرنوسکی و هانگارین از کارخانه‌ی گانز در بوداپست مدل “زد بی دی” هسته بسته‌ای را اختراع کردند که بر پایه‌ی ساخته‌ی گلارد و گیبس که مدل هسته باز را اختراع کرده بودند، استوار بود. در ترانسفورماتور هسته بسته، هسته‌ی آهنی یک حلقه‌ی بسته است که دو سیم پیچ بطور یکنواخت بر روی آن قرار می‌گیرند. در نوع ترانسفورماتور پوسته کابل‌های القای مسی از درون هسته عبور می کنند. در هر دو طراحی شار مغناطیسی که از سیم پیچ اولیه به ثانویه می‌رود در کل هسته‌ی آهنی وجود داشت. به واسطه‌ی این اختراع، امکان ایجاد روشنایی اقتصادی و ارزان در صنعت و مصارف خانگی ایجاد شد.
در فصل دوم این پایان‌نامه، معرفی مقدماتی ترانسفورماتورها، عوامل تولید حرارت و تلفات در ترانسفورماتورها و نیز بخش‌های مختلف تشکیل دهنده‌ی ترانسفورماتور به طور کامل شرح داده شده است. در فصل سوم روش‌های مختلف خنک‌کاری در ترانسفورماتورها و اهمیت این کار شرح داده می‌شود. علاوه بر این موارد در این فصل روابط تجربی مختلفی برای بررسی تاثیر دما بر عمر ترانسفورماتور ارائه شده است. در فصل چهارم به معرفی ترانسفورماتور انتخاب شده برای تحلیل پرداخته می‌شود و روش استفاده شده برای مدل‌سازی این ترانسفورماتور در نرم افزار فلوئنت به طور کامل در این فصل بیان می‌شود. در فصل پنجم نتایج حاصل از نرم‌افزار فلوئنت برای سه هندسه‌ی مختلف آورده شده است. در ادامه این فصل تحلیل داده‌های به دست آمده از نرم‌افزار فلوئنت برای سه حالت مذکور بیان شده است و از نتایج حاصل از این داده‌ها برای بهینه سازی ترانسفورماتور(حالت چهارم) استفاده شده است.
این پایان نامه با آیین نامه نحوه نگارش و تدوین پایان نامه تهیه شده و آماده ارائه میباشد.
دیدگاه ها