На сегодняшний день в России остро стоят проблемы, связанные с техническим перевооружением промышленности и ликвидацией технологического отставания от промышленно развитых стран. Как показала практика, большую роль в этом могут сыграть физические методы, которые позволяют без заметных энерго- и ресурсных затрат интенсифицировать различные технологические процессы в промышленности [1–11].
Одной из таких задач является повышение эффективности охлаждения силовых масляных трансформаторов, которые отработали нормативный срок службы, установленный заводами-изготовителями. Существующие системы охлаждения силовых масляных трансформаторов не обеспечивают эффективный отвод тепла от токоведущих элементов при кратковременных существенных перегрузках, чем значительно снижают их надёжность.
В работе предлагается способ повышения эффективности системы охлаждения трансформаторов, основанный на барботировании трансформаторного масла пузырьками элегаза. Большое значение коэффициента теплового расширения элегаза способствует образованию конвективных потоков, перераспределяющих неоднородности теплового поля в объеме трансформаторного масла [4–6]. В среде с конвективными ячейками возникает сложное поле скоростей, которое приводит к возрастанию эффективного коэффициента теплопроводности. При определенных условиях величина эффективного коэффициента теплопроводности может на несколько порядков превышать молекулярный коэффициент теплопроводности, поэтому исследование механизма переноса тепла в объеме трансформаторного масла с конвективными ячейками имеет важное практическое значение для повышения эффективности системы охлаждения силовых трансформаторов [12, 15].
Теоретическая часть
В процессе теоретических исследований для определения эффективного коэффициента трансцилляторного переноса тепла использован метод Зельдовича, дополненный методом редукции к эквивалентному интегро-дифференциальному уравнению при определении температурного поля [15]. Конвективный перенос тепла в поле скоростей всплывающих пузырьков может быть представлен в виде потока, эквивалентного молекулярному. Это является следствием замкнутости потока, поскольку средний конвективный массоперенос за характерный период колебаний равен нулю. Из изложенного следует также, что конвективный теплоперенос в любых ячейках типа естественной конвекции эквивалентен молекулярному тепловому движению при условии замкнутости потока.
Путем осреднения конвективного потока, при определении которого использовано интегро-дифференциальное уравнение для температуры, выражающее температурное поле через его градиент, определены выражения для эффективных коэффициентов теплопроводности [12]. Установленное положение об эквивалентности переноса тепла конвективной ячеистой и молекулярными структурами явилось теоретической основой экспериментальных измерений эффективной теплопроводности [4]. Ячеистые структуры в экспериментальной установке генерируются регулярно всплывающими пузырьками. В основе генерации лежит известный факт, что при всплывании отдельного пузырька частицы «выделенной» жидкости движутся по замкнутым траекториям.
Математическая модель предлагаемой системы охлаждения силового трансформатора представляет собой задачу теории теплопроводности о температурном поле в прямоугольном параллелепипеде (рисунок), ограниченном по осям x, y и z соответственно:
0 < z < l, t > 0.
Геометрия задачи
Внутри емкости в начальный момент находится трансформаторное масло при температуре T0 = 15 °C, которое постепенно, со временем, приобретает температуру TH = 70 °C, соответствующую температуре нагревателя. Температурное поле внутри емкости определяется путем решения уравнения теплопроводности:
0 < z < l, t > 0,
со следующим начальным условием:
где 
– коэффициент температуропроводности.
Теплообмен с окружающей средой на поверхности S подчиняется закону Ньютона:
где S – поверхность стенки; α – коэффициент теплоотдачи среды (трансформаторное масло – стенка емкости – воздух).
Обозначим 
, тогда граничные условия можно записать как
Поскольку продолжительность эксперимента намного больше времени установления температуры нагревателя, то температура нагревателя считается постоянной, TH = const. Среднесуточное изменение температуры окружающей среды составляет 10 °С, время проведения эксперимента – меньше двух часов, поэтому температура окружающей среды за время проведения эксперимента считается неизменной, T0 = const. Решив задачу методом свертки, получим уравнение изменения температуры:
где уравнения для определения коэффициентов χn и μm записываются как
Экспериментальная часть
С целью проверки полученных теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования на разработанном лабораторном стенде.
Эксперименты проводились на лабораторном стенде, состоящем из реактора, нагревательного элемента, микрокомпрессора, измерительных устройств и персонального компьютера. В качестве реактора использована цилиндрическая ёмкость радиусом 12,5 см и высотой 30 см, заполненная трансформаторным маслом, на оси которого по центру закреплен нагревательный элемент. Газовые пузырьки создаются с помощью микрокомпрессора, осуществляющего впрыск газа через специальные керамические распределители, расположенные в нижней части реактора. Регулирование интенсивности нагрева трансформаторного масла осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора, подключённого к нагревательному элементу. Для регистрации температурного поля в объеме емкости размещены термопары, сигналы с которых поступают на вход аналогово-цифрового преобразователя ADAM4018. Далее сигналы направляются в персональный компьютер, который позволяет управлять, регистрировать и обрабатывать информацию с помощью специально разработанной программы [13].
Результаты исследований показали, что при пропускании элегазовых пузырьков через трансформаторное масло коэффициент эффективной теплопроводности возрастает в 27 раз [14]. Фактически это означает, что при всплывании элегазовых пузырьков механизм трансцилляторного переноса тепла становится доминирующим [15].
Механизм теплообмена данного процесса следующий: основной теплосъём с нагревающегося масла в трансформаторе осуществляется за счёт циркуляции барботируемого элегаза, обладающего большим коэффициентом теплового расширения, в масле образуется конвективный поток, эффективно уносящий тепло. После всплытия пузырьков элегаз проходит через систему фильтров, удерживающих частицы масла, захваченные всплывающими пузырьками, и далее, пройдя систему очистки и охлаждения, возвращается обратно в работу для повторения рабочего цикла.
Выводы
1. В результате теоретических расчетов получено уравнение изменения температуры, которое позволяет вычислить температурное поле внутри реактора с трансформаторным маслом с всплывающими пузырьками элегаза.
2. Результаты экспериментов показали, что барботирование трансформаторного масла пузырьками элегаза позволяет повысить коэффициент эффективной теплопроводности в 27 раз.
3. Предложенный способ интенсификации системы охлаждения позволяет:
● повысить эффективность системы охлаждения силовых трансформаторов за счёт барботирования масла элегазом, что значительно повышает коэффициент эффективной теплопроводности;
● внедрить в производство за счёт значительного ресурсо- и энергосбережения, основанного на снижении массогабаритных показателей конструкции и уменьшения изоляционных промежутков, а также улучшенных условий охлаждения токоведущих частей, без использования вентиляторов или других дорогостоящих систем охлаждения.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта главы Республики Башкортостан за 2015 г.
Рецензенты:
Абрамов В.О., д.т.н., зам. генерального директора ООО «Виатех», г. Москва;
Муллакаев М.С., д.т.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова» РАН, г. Москва.