片式散熱器散熱性能試驗研究

1溫升控制和自冷油浸式壓作用時，內部絞架、鐵心等部件損傷。損耗的能量轉換為熱量并通過變壓器油的熱傳導和對流作用傳遞給油箱壁。熱量使繞組、鐵心、油箱壁和油面溫度上升。而溫升直接影響到絕緣材料的壽命,因此必須把溫升控制在一定的范圍內。采用散熱器進行散熱是必須的。片式換熱器是目前變壓器用的主流散熱器。如何找到提高散熱器總傳熱系數的方法用于增強片式散熱器的散熱能力,對于節約變壓器的制造成本并延長其使用壽命是很有意義的。在居民區及一些對噪聲、能耗有特殊要求而不能采用強迫冷卻方式的地方,如何提高散熱器自冷的效果也是一個很現實的問題。圖1為工業中使用的散熱器分類。筆者主要研究的是油浸自冷式散熱器,其適用于容量比較小的產品,或者對噪聲控制要求高的場合。2試驗與研究方法2.1試驗系統和試驗材料在試驗中采用對比的方式進行。普通的片式散熱器如圖2所示。國內設計的散熱器一般片型為兩塊帶一定數量縱向淺凹槽的冷軋鋼板壓合,兩塊板間縱向均勻N條焊縫以形成N+1條油道。進行對比的散熱器改變了原有片型冷軋時的模具結構,這樣就改變了片型的內部結構。試驗中主要有以下4種片型。(1)搓板紋型散熱片。(2)單面尖筋搓板紋型散熱片:以上兩種搓板紋型散熱片是在單片冷軋鋼板上沖壓出橫向外凸的半圓形或者三角形。(3)圓點紋型散熱片:圓點紋型散熱片是在單片冷軋鋼板上沖壓出內凹的直徑約為10mm的圓點,圓點在板上均勻交錯分布。這種散熱片取消了常規的油道,圓點相當于焊點,圓點紋處正好是兩塊鋼板的鉚合處,油在交錯布置的圓點間繞行,不斷改變方向。(4)內塞繞流帶散熱片:這種散熱片是在普通散熱片的單個油道內塞入一根麻花形鋁帶,其彎曲形狀配合油道尺寸。對比試驗使用了能模擬變壓器內部繞組等損耗發熱的裝置。為使試驗結果直觀可比,采用了兩套能準確控制發熱元件功率、結構尺寸相同的模擬變壓器分別與普通型、改進型散熱器連接成系統,系統中充滿變壓器油,兩臺裝置放置于大房間內,關閉門窗以減少外界環境的影響。為了得到各種工況下兩組片式散熱器的散熱性能情況,試驗裝置中采用了調壓器和電流互感器來調節發熱元件的功率參數,借助功率表可保證每擋工況下對比試驗的兩組散熱器所承擔的功率相同。每組片式散熱器上,布置了10個熱電偶,測量片壁上對應溫度,并且用熱像儀測量了片壁的溫度場。試驗原理圖見圖3。2.2試驗結果的測量通過各自連接的功率表讀數,調節控制兩組試驗裝置的發熱元件同時處于相同的功率。功率分為520W、640W、800W、1000W和1200W等幾擋,每調一個擋時,在升溫的過程中,每隔30min測量一次各測溫點的毫伏數,同時測量環境溫度和風速。當測量結果顯示系統工作狀態穩定時,隔10min重復一次作為系統穩定傳熱時的試驗結果,然后將功率調高一擋。所測溫度中,每組散熱器有兩點分別是進、出散熱器的油溫。測量的方法是將端頭封閉的銅管斜插入上下集管,銅管與集管結合處焊牢,銅管中充滿變壓器油,熱電偶伸入銅管中。這樣,熱電偶所測溫度并非上下集管中油的真實溫度,但考慮到銅的導熱系數很大,所測溫度誤差很小,且兩組散熱器所用測溫度條件相同,仍然有可比性。試驗中用熱電偶測定片壁外側8個點的溫度,加上紅外點溫度計測定的4個點溫度,共測量出12個點溫度數據,在傳熱計算時取它們的算術平均值作為外壁的平均溫度。試驗中用來模擬變壓器的內裝電加熱器的圓筒及與散熱器上下集管相連的上下兩根橫管均未保溫,起到向外散熱的作用,故需要測量其外壁溫度作為傳熱計算依據,用紅外測溫計測量各點溫度,取各點的算術平均值為其平均溫度。散熱器內油的平均溫升取油進出散熱器時溫升的算數平均值。所有測溫熱電偶冷端均連接冰罐,并調校準確。熱電偶材料為鎳鉻—考銅,所測毫伏值精確到0.001mV,所對應溫度精度為0.01℃。所有散熱器的充油量在試驗完畢時用天平稱量,精確到0.001kg。3試驗結果及分析3.1筋碳紋型蒸發器試驗數據見表1、表2、表3和表4。在表中,1號為三角尖筋搓板紋型散熱器;2號為普通散熱器;3號為圓筋搓板紋型散熱器(單面,另一面為平板);4號為單面交錯圓點紋型散熱器(單面,另一面為平板);5號為內塞擾流鋁帶型散熱器。3.2對比試驗結果利用試驗數據可以計算出如下項目:一是各功率下對比試驗的兩組散熱器各自的散熱量與傳熱系數;二是油自然循環的流量與流速。具體計算方法和公式參見文獻。計算結果見表5、表6、表7和表8。3.3結果分析3.3.1空氣側與油側熱阻之比的確定分析對比試驗的結果表明,三角尖凸筋搓板紋型與內插螺旋擾流鋁帶型片式散熱器的傳熱系數較普通型提高3%~8%。因為油浸自冷散熱器空氣側與油側熱阻之比為8~10,因此可以推斷油側的換熱系數提高了50%以上。如果采用強迫風冷方式,減小空氣熱阻,這兩種散熱器的傳熱系數還會成倍提高。半圓凸筋搓板紋型和交錯凹圓點型的傳熱系數提高不大。這說明了不同散熱片的片型對于散熱能力有著不同的影響,并非所有的翅片都可以提高傳熱效率。3.3.2減少循環油量采用了翅片的片式散熱器由于油道容積的減少,使得循環油量比普通型要少。半圓凸筋搓板紋型散熱器比普通型油量少10%左右,其余的比普通型油量少2%~3%。3.3.3不按比例增加從試驗結果可見,在變壓器損耗不同時,同一片式散熱器總傳熱系數不同,損耗越高,總散熱系數越大,但并不按比例增加。而對于對比試驗的兩組散熱器,如三角尖凸筋搓板紋型與普通型散熱器,前者在提高總傳熱系數以及降低油溫方面的優勢隨著損耗的加大而變得越來越不明顯,這是因為隨著電加熱器輸入的損耗加大,模擬變壓器擔負的散熱量占系統總散熱量(即輸入電功率)的份額加大而使散熱器擔負的散熱量份額減小所致。4紋型與內插螺旋擾流鋁帶型通過試驗研究了改變片式散熱器的片型或結構對其散熱性能與阻力特性的影響。試驗表明,三角尖筋搓板紋型與內插螺旋擾流鋁帶型