Охлаждение производится путем отбора тепла с теплорассеивающих поверхностей движущимся относительно этих поверхностей хладагентом, который при этом нагревается. Если в единицу времени перемещается объем QC9 м3/с, хладагента с плотностью γχ0, кг/м3, теплоемкостью Сха, Вт · с/кг * °С, и средним для всего объема превышением температур тха, которое он получает, проходя через электрическую машину, то количество тепла, Вт, которое он уносит в 1 с, составляет
(5.20)
5.5.1. Воздушное охлаждение. Для перемещения воздуха применяются следующие системы вентиляции: с естественным перемещением воздуха, охлаждающего корпус (закрытые ЭМ); с внешним обдувом корпуса вентилятором, сидящим на валу ЭМ; с продувкой воздуха через электрическую машину вентилятором, сидящим на валу; с продувкой воздуха от отдельного вентилятора, имеющего собственный привод.
Во втором и третьем случаях имеет место самовентиляция, в последнем случае — принудительная вентиляция.
Для продуваемых электрических машин существует большое разнообразие схем прохождения воздуха внутри ЭМ [0.3; 5.9; 5.13; 5.14], которые в наиболее общей форме можно классифицировать как схемы с осевым, радиальным и смешанным направлениями воздушных потоков.
Условиями для выбора той или иной схемы вентиляции являются: получение достаточно эффективного охлаждения, равномерное распределение температуры и допустимый уровень шума, создаваемый вентиляционной системой. При этом учитываются: распределение потерь, геометрия активного ядра, частота вращения и ряд других факторов.
Наряду с обеспечением охлаждения обмоток и активной стали система вентиляции должна обеспечивать эффективное охлаждение подшипников (опор) и узлов токосъема. Нагретый в ЭМ воздух, как правило, не должен подогревать опоры и коллекторы.
Объем вентилирующего воздуха, проходящего через электрическую машину, весьма велик. В течение 1 ч его масса может превышать массу самой электрической машины. Содержащаяся в воздухе пыль оседает в вентиляционных каналах и способствует постепенному ухудшению охлаждения (вплоть до полной закупорки каналов).
Поэтому для крупных электрических машин применяется вентиляция по замкнутому циклу, в которой внутри ЭМ циркулирует чистый воздух. Для очистки воздуха от щеточной пыли в коллекторных электрических машин используются фильтры. Для охлаждения воздух пропускается через теплообменники воздух- вода или воздух—воздух.
Параметры воздуха.
Входящие в (5.20) плотность ув и теплоемкость Св зависят от температуры ΘΒ и давления. Для разомкнутых вентиляционных систем, использующих воздух из окружающего ЭМ пространства, ув зависит от атмосферного давления В:
где /?Па — давление, Па; BPjC — давление, мм рт. ст. (1 атм. — 101 325 Па — 760 мм рт. ст.); ΘΒ, °С; Св — 1000 Дж/кг · К.
Определенное влияние на увеличение теплоемкости воздуха имеет содержащийся в нем водяной пар, масса которого характеризуется относительной влажностью воздуха, %,
где Рп — парциальное давление водяного пара; Рп н — парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха ΘΒ. При φ — 100% парциальное давление достигает своего насыщенного значения и начинается выпадение влаги. При рабочих температурах ΘΒ до 50 ° С влияние влажности на теплоемкость невелико; с ростом φ (вплоть до 100%) теплоемкость возрастает на 4—5% [5.12]. Однако относительная влажность имеет существенное влияние на сопротивление изоляции электрических машин.
Простейшими приборами для определения относительной влажности являются волосяной гигрометр и прибор, содержащий сухой и влажный термометры [5.1]. В последнем случае для увеличения точности можно использовать термометры с ценой деления 0,1 °С.
Температура воздуха
(5.24)
Ориентировочно можно считать, что превышение температуры воздуха, проходящего через электрическую машину,
где 0Об — температура обмотки; ΘΒιΒΧ — температура воздуха, входящего в ЭМ. Необходимый объем вентилирующего воздуха, м3/мин, при ΘΒ = 50 ° С, давлении В ~ 101 325 Па (1 атм)
(5.25)
где р — потери, кВт.
Для тв = 25 °С Q/p = 2 -г 2,2 м3/мин · кВт. Заметим, что простой форсировкой вентиляции (увеличением Q) в конкретной электрической машины поднять величину Q/р сверх указанной выше затруднительно, так как при этом снижается тв.
Измерение скорости воздуха.
Рис. 5.9. Измерение давлений в воздуховоде:
а — определение нулевого отсчета; б — hc; в — йд; г — йд (с использованием трубки Прандхля); 1 - воздуховод; Р - резервуар микроманометра; ИТ - измерительная трубка микроманометра
Для этой цели используются приборы: микроманометры, анемометры, термоанемометры, массметры.
Для измерения давлений h, hc% hR применяются микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (ИТ). Микроманометры за счет изменения угла наклона трубки имеют пять пределов измерения —от 6 до 24 мм вод. ст. (1 мм вод. ст. =9,8 Па).
Класс точности прибора 0,5—1 при В — 101 325 Па; ΘΒ = 10 -г 35 °С, φ = 30 -г 80%. Чувствительность (минимальный отсчет) составляет 0,15 и 0,3% пределов измерения. Микроманометры пригодны при изменениях в 1 ч скорости воздуха < 10% и температуры <0,5 °С.
Имеющийся в микроманометре кран-переключатель задает три режима измерения (рис. 5.9, а—в):
1. Полость над резервуаром (Р) и конец ИТ соединены между собой. Микроманометр не сообщается с атмосферой. В этом положении устанавливается нулевой отсчет (рис. 5.9, а);
- Резервуар соединяется с датчиком hc, а конец ИТ сообщается с атмосферой (рис. 5.9,6). Измеряется hс;
- Резервуар соединяется с датчиком давления h, а конец ИТ с датчиком hc (рис. 5.9,в). Измеряется hд.
Источником погрешностей при работе с микроманометрами кроме неточной установки (она контролируется ватерпасом) может быть попадание пузырька воздуха в сочленение между резервуаром и ИТ при слишком быстром заполнении микроманометра водой (спиртом). В этом случае при изменении наклона ИТ резко изменяется нулевой отсчет.
Резиновые трубки, соединяющие микроманометры с датчиком, должны плотно обжимать штуцеры и иметь достаточную (примерно 4 мм) толщину стенки. Наличие утечки в пневмосхеме дает тем большую погрешность, чем меньше измерительные отверстия в датчиках.
В качестве датчиков полного давления могут применяться одинарные трубки (в каналах малого сечения в качестве таких трубок можно использовать, например, иглы для медицинских шприцев). Статическое давление может измеряться через отверстие диаметром 0,5— 1 мм в стенке воздуховода.
Для одновременного измерения h и hc (рис. 5.9, г) рекомендуются двойные трубки Прандтля (ГОСТ 12259-75) с нормированным отношением размеров. Минимальный диаметр трубки примерно 6 мм, таким образом, она пригодна для воздуховодов с диаметром более 60 мм.
Для непосредственного измерения скорости воздуха применяются анемометры. Для крупных электрических машин с большим сечением воздуховодов применяют крыльчатые или чашечные анемометры. Удовлетворительная точность измерений возможна для воздуховодов с диаметром, в 6—10 раз большим диаметра ротора анемометра.
Использование анемометров целесообразно для проверки условий вентилирования в эксплуатации путем измерения скорости в какой- либо контрольной точке и сравнения ее значения с полученным на предприятии при выпуске ЭМ.
Наиболее совершенным методом измерения скорости воздуха является метод термоанемометра. Принцип действия термоанемометра основан на зависимости температуры и электрического сопротивления тонкой нагретой платиновой нити, через которую пропускается постоянный ток, от скорости воздуха, обдувающего нить. Длина нити 3—5 мм, диаметр 0,1 мм, температура нити примерно 500 °С, что снижает погрешность от изменений температуры воздуха.
В лабораторных образцах длина нити 1 см, диаметр 10 мкм, температура примерно 1000° С.
Такой датчик позволяет исследовать нестационарные (пульсирующие) скорости воздуха (газового потока). Применение специальных схем компенсации тепловой инерции нити позволяет измерять высокочастотные пульсации скорости и тем самым исследовать вихревые процессы, что применяется для исследовательских целей.
Рис. 5.10. Схема масс- метра
В настоящее время появились термоанемометры промышленного типа с измерительной цилиндрической головкой-датчиком диаметром 13 и длиной 15 мм. Нить находится в центре просверленного в головке, перпендикулярно к оси цилиндра, отверстия диаметром 10 мм. Термоанемометры измеряют скорости воздуха с предельными значениями 1,5 и 25 м/с. Цена деления прибора 0,02 и 0,1 м/с соответственно. Они могут работать при температурах воздуха до 80 °С.
Определение скорости воздуха методом массметра производится путем пропускания его через нагревательный элемент постоянной мощности и измерения среднего значения температуры подогрева воздуха (3—6°С).
Устройство для подогрева и измерения температуры, собственно массметр, встраивается, например, в измерительный трубопровод (5 на рис. 5.11) вместо трубки Прандтля. Схема массметра приведена на рис. 5.10.
Рис. 5.11. Измерение подачи воздуха, проходящего через электрическую машину, с помощью герметичной камеры:
1 — герметичная камера; 2 - микроманометр, измеряющий hc% 3 - воздуховод; 4 — микроманометр, измеряющий Нц; 5 — вентилятор
Нагревательный элемент 1 с целью увеличения поверхности теплоотдачи выполняется в виде сетки.
Расходуемая в нем мощность измеряется ваттметром. Датчики температуры 2, 3 выполняются как усредняющие, например в виде определенного числа последовательно включенных термопар, распределенных по сечению, либо в виде сетки из эмалированного медного провода, средняя температура которой измеряется методом сопротивления. Измерительное устройство 4 определяет
Рис. 5.12. График для выбора диаметра измерительного воздуховода
Количество воздуха подсчитывается по (5.20) с учетом (5.21) и (5.24).
Хотя метод массметра сложнее манометрических методов, он существенно облегчает возможность автоматизации измерений.
Измерение расхода воздуха.
Для этой цели используются следующие методы [5.11]:
Метод герметичной камеры, применяемый для электрических машин с самовентиляцией, является наиболее точным (рис. 5.11). Входные вентиляционные отверстия ЭМ вводятся в камеру 1. Стыки между стенками камеры и ЭМ тщательно уплотняются (замазываются). Объем камеры должен выбираться в пределах 0,1— 0,5 объема воздуха, проходящего через электрическую машину за 1 мин. Большие объемы камеры предпочтительнее.
В камеру через измерительный воздуховод 3 подается воздух от вентилятора 5 с регулируемой в широком диапазоне частотой вращения.
В воздуховоде 3 на достаточном удалении от вентилятора, чтобы избежать погрешностей от вихреобразования, располагается датчик (трубка Прандтля). Если по условиям размещения подача воздуха в 3 производится под углом, то рекомендуется применение спрямляющей решетки. Диаметр воздуховода определяется из условия получения скоростей и давлений, достаточных для точного измерения их микроманометрами. Верхний предел скорости при этом примерно 18 м/с (йд = 20 мм вод. ст.), нижний — примерно 6 м/с (йд = 2 мм вод. ст.). Диаметры измерительного воздуховода, в зависимости от подачи воздуха, приведены на рис. 5.12.
Измерительный воздуховод тарируется таким образом, чтобы получить зависимость Лд в центре его сечения от подачи Q. Для этого воздуховод разбивается на пять кольцевых сечений равной площади и в точках, отстоящих от центра на 0,158; 0,274; 0,353; 0,418, 0,475 диаметра измерительного воздуховода, и по обе стороны одного диаметра производятся десять измерений давления йд.
Скорости определяются из (5.28):
(5.31)
где 7в определяется по (5.21); Лд выражено в паскалях.
Средняя скорость
В случае, если имеет место значительная (> 1,2) неравномерность скоростей по сечению, измерения проводятся по двум взаимно перпендикулярным диаметрам (20 измерений). В этом случае
Подача воздуха через воздуховод, м3/с,
Q = VcpS, (5.32)
где S — площадь сечения воздуховода, м2.
При тарировании измеряется также скорость vn в центре сечения (или вообще в точке, где она в дальнейшем будет измеряться) и строится тарировочная кривая Q =/(гц).
При определении подачи воздуха, обеспечиваемого системой самовентиляции после запуска ИЭМ, вентилятор 5 приводится во вращение со скоростью, при которой в камере 1 устанавливается давление, равное атмосферному (показания микроманометра 2 на рис. 5.11, измеряющего разность давлений в 1, и атмосферного равны нулю).
При этом режиме подача Q через воздуховод 3 точно равна подаче через электрическую машину в нормальных условиях работы вентиляционной системы.
Метод измерительного коллектора менее точен, однако более прост. По этому методу определяется подача без компенсации измерительного перепада путем измерения перепада статического давления (разряжения) hc на входном коллекторе (сопле) (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Измерение подачи воздуха через электрическую машину с помощью измерительного коллектора:
— патрубок; 2 — измерительный коллектор; 3 - микроманометр; Dвх - диаметр входного вентиляционного отверстия ЭМ
Подача
(5.33)
где Коп — опытный коэффициент подачи, определяемый путем тарирования (например, с помощью герметичной камеры).
Применение указанных выше устройств не вызывает существенного уменьшения подачи; точность его определения составляет ± 5%.
Вентиляционные испытания электрических машин с принудительной вентиляцией.
Испытания заключаются в определении зависимости статического давления на входе в ЭМ от расхода воздуха (кривая Q - h "подача-давление") и одновременно в установлении связи между подачей и давлением воздуха в какой-либо легкодоступной в эксплуатации точке ЭМ, например в полости над коллектором.
Первое из этих испытаний необходимо для подбора вентилятора; второе для контроля в эксплуатации количества воздуха, которое получает ЭМ и соответствующей регулировки системы воздухоснабжения (например, перераспределения воздуха между параллельно питающимися ЭМ).
Для определения кривой Q-h используются установки по рис. 5.11, но без камеры 1. Воздуховод 3 плотно присоединяется при этом через патрубок с плавно увеличивающимся сечением к входному вентиляционному фланцу ЭМ. Одновременно с измерением давления на входе с помощью трубки достаточной длины (диаметр отверстия примерно 1 мм) измеряется давление внутри ЭМ в точке, защищенной от воздействия струи входящего воздуха. Это условие проверяется путем небольших перемещений контрольной трубки; при этом не должно быть значительных изменений давления, измеренного с помощью трубки. Координаты выбранной точки и давление указываются в инструкции по эксплуатации.
Расход воды при водяном охлаждении.
Необходимое количество воды л/с с учетом плотности у = 1000 кг/м3 и удельной теплоемкости Свд = 4,18 кДж/кг - К составляет
(5.34)
где р — потери, кВт; твд — превышение температуры воды, К.
Значение твд обычно составляет 2—5 °С и для его измерения должны применяться термометры с ценой деления 0,1 ° С.
Для измерения расхода и давления воды применяется стандартная аппаратура: расходомеры, манометры, дифманометры и т. д. [5.1]. При небольшом расходе может применяться мерный бак и секундомер.
