4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОРЕБРЕНИЯ КОРПУСОВ ОБДУВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Для оценки влияния степени турбулентности потока на теплоотдачу был замерен коэффициент теплоотдачи с поверхности корпуса электродвигателя в межреберных каналах.
Коэффициент теплоотдачи измерялся датчиками теплоотдачи с дифференциальной термопарой (§ 4-1). Измерения производились для вентиляторов различных типов (центробежных, осевых и с меридионально-ускоренным потоком) при пяти постоянных расходах воздуха, скоростях вращения 600, 750, 1 500 и 2 000 об/мин и при коротком и длинном вентиляционных кожухах; при трех температурах поверхности датчика.
Степень турбулентности измерялась в трех точках над датчиками на расстоянии 3 мм от них. Как показали опытные данные, турбулентность воздушного потока на расстоянии 0,5—5 мм от поверхности изменялась незначительно.
Рис. 3-8. Зависимость коэффициента повышения теплоотдачи в межреберном канале электродвигателя от степени турбулентности воздушного потока. 1,2 — измеренные величины КТО; 3, 4 — величины КТО, скорректированные по тепловому режиму; 1 и 3 при l/dэ=1; 2 и 4 при l/dэ>1.
Степень турбулентности регулировалась за счет изменения угла притекания потока воздуха на ребра, который регулировался отношением расхода воздуха и скорости вращения вентилятора.
Зависимость теплоотдачи с поверхности от турбулентности воздушного потока, определенная в виде функции Кα=f(ξ), где Ка= Nu/оп/Nuрасч, приведена на рис. 3-8.
Из рис. 3-8 видно, что КТО с поверхности весьма сильно зависит от степени турбулентности потока. Так, например, при ξ=50% теплоотдача с поверхности возрастает примерно в 10 раз по сравнению с рассчитанной на основании критериальных уравнений теплоотдачи Nu=0,018 Re0,8.
Анализ зависимости Nu = f(ξ) показал, что наиболее целесообразно определять эту функцию в виде
(3-10)
Однако, как показывают опытные данные, при обдуве поверхности от вентиляторов различных типов для начальных участков имеются некоторые различия в зависимости Ка =f(ξ), а для остальных точек теплоотдача не зависит от типа применяемого вентилятора. Различие в зависимости Nu от ξ на начальном участке и на других объясняется различной структурой турбулентности на этих участках. На начальном участке каналов, как указывалось в гл. 2, имеется в основном «вынужденная турбулентность», которая отличается по своей структуре от «пристеночной» и «свободной» турбулентности в центральной и конечной частях канала.
Различием в структуре турбулентности можно объяснить и различные зависимости Nu=f(ξ), полученные на начальном участке канала при обдуве от различных вентиляторов.
Итак, можно сделать вывод, что для определения влияния турбулентности на теплоотдачу необходимо знать другие ее характеристики, например микромасштаб, спектр и др.
Рис. 3-9. Зависимость превышения температуры поверхности корпуса модели от числа ребер.
(D4=230 мм; hp=30 мм.)
Однако, несмотря на то, что в общем случае зависимость теплоотдачи от турбулентности является весьма сложной, нельзя не отметить, что турбулентность оказывает очень большое влияние на теплоотдачу, а повышение степени турбулентности является, по- видимому, одним из основных способов повышения эффективности охлаждения оребренных электродвигателей. Эти особенности работы оребренного холодильника накладывают отпечаток как на расчет теплового сопротивления с поверхности, так и на выбор оптимальной геометрии ребер. В частности, выбору оптимальной геометрии оребрения и расчету теплопередачи с ребер посвящен ряд работ, например [Л. 80], в которых не учитывается влияние геометрии оребрения на аэродинамические свойства системы, т. е. обязательным условием при расчете является установившийся поток охлаждающего агента, а межреберные каналы рассматриваются только как аэродинамические сопротивления трения. Экспериментальные данные по выбору оптимального оребрения показали, что указанные упрощения приводят к значительным ошибкам.
Исследования по оптимальному оребрению [Л. 25, 70] на ряде типоразмеров электродвигателей с диаметром корпуса 230—470 мм с высотой ребер 1,5—7,5 см и их толщиной 0,4—0,6 см, с числом ребер 0—32 и скоростью вращения вентилятора 600—3 000 об/мин показали, что увеличение числа ребер приводит сначала к резкому снижению температуры поверхности. Однако в дальнейшем с увеличением числа ребер, с одной стороны повышается поверхность охлаждения, а с другой, за счет снижения турбулентности воздушного потока в относительно более длинных каналах происходит уменьшение коэффициента теплоотдачи. В результате этого, как видно из рис. 3-9, суммарная теплоотдающая способность холодильника с увеличением числа ребер выше определенного предела увеличивается незначительно. На рис. 3-10 представлена зависимость эффективного числа ребер от диаметра корпуса.
Рис. 3-10. Эффективные числа ребер для корпусов электродвигателей.
Рис. 3-11. Зависимость превышения температуры корпуса модели от высоты ребер. (D4=350 μμ, nρ=32.)
Рис. 3-12. Оптимальные высоты ребер для корпусов электродвигателей.
Как видно из рис. 3-11, имеется оптимальная высота ребер, которой соответствует максимальная теплоотдающая способность корпуса.
Оптимальная высота кожуха обусловлена также двумя факторами, а именно: с увеличением высоты ребер, с одной стороны, растет поверхность охлаждения, а с другой, уменьшаются скорости воздуха в межреберном канале, а следовательно, и КТО с поверхности.
Каждому диаметру корпуса соответствует своя оптимальная высота ребер (рис. 3-12), причем относительная величина этой высоты, равная h = hp/D4, с увеличением диаметра корпуса снижается. Снижение относительной оптимальной высоты ребер с увеличением диаметра корпуса обусловлено повышением КТО с поверхности корпуса на больших диаметрах.
Все эти особенности в работе оребренного холодильника электрических машин настолько усложняют его расчет, что приходится прибегать в основном к чисто эмпирическим формулам расчета, построенным на основании экспериментальных исследований различных холодильников.
