مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی و تحلیل پارامتریک مسیر خنک‌کاری زیگزاگ در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور دیسکی به‌منظور بررسی پارامترهای طراحی موثر بر شرایط خنک‌کاری

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه الزهرا(س)، تهران، ایران
چکیده
پدیده انتقال حرارت، تعیین موقعیت و دمای نقطه داغ در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور، در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این اقبال ناشی از تاثیرات قابل ملاحظه‌ این امور بر استقامت، قابلیت اطمینان و بازده عملکرد ترانسفورماتورها است. هدف اصلی در این مقاله، توسعه یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی با دقت مناسب و حجم محاسباتی متعادل برای انجام مطالعات پارامتری و به‌دست‌آوردن معیارهایی برای طراحی سیم‌پیچ‌های دیسکی با مسیر خنک‌کاری زیگزاگ بوده است. این دیسک‌ها از سیم‌های مسی و عایق کاغذی که به دور آنها پیچیده‌ شده، ساخته شده‌اند. درنظرگرفتن این ناهمگنی، به‌صورت تفکیک نواحی حل برای به‌وجودآمدن تعداد نواحی بسیار زیاد با اندازه بسیار کوچک، توسعه مدل و به‌خصوص شبکه را دشوار می‌سازد و همچنین هزینه محاسباتی بالایی ایجاد می‌کند. در این مقاله با استفاده از توابع تعریف خواص روشی ارایه شده است که بدون تفکیک نواحی حل، ناهمگنی دیسک‌ها به‌لحاظ جنس و وابستگی خواص ترموفیزیک همچون هدایت حرارتی و لزجت به دما لحاظ شده است. نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از این روش علاوه بر اینکه زمان توسعه مدل و زمان تحلیل، کاهش چشمگیری داشته، دقت تحلیل نیز در حد قابل قبولی بوده و انحراف قابل توجهی در نتایج دیده نشده است. در ادامه نیز با استفاده از قابلیت محیط نرم‌افزار Ansys WorKbench در تحلیل پارامتری، تاثیر پارامترهای مختلف هندسی و عملکردی بر شرایط خنک‌کاری ترانسفورماتور بررسی شده و در نهایت پیشنهاداتی برای طراحی این مدل از ترانسفورماتورها ارایه شده است.


کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Simulation and Parametric Analysis of Zigzag Cooling Flow Path in a Disc-Type Transformer Winding to Investigate Parameters Affecting Cooling Conditions

نویسندگان English

F. Hamedi
H. Moqtaderi
MSc, Energy System EngineeringMechanical Engineering GroupFaculty of EngineeringAlzahra University
چکیده English

Heat transfer phenomenon and location prediction as well as disc-type transformer windings have attracted many researches in recent years. The motivation is based on noticeable effects of these issues on transformers endurance, reliability, and functionality. This paper focuses on developing a sufficiently accurate CFD model to carry out studies and address some guidelines for disc-type transformer windings with zigzag cooling path with a reasonable resource . The discs composed from copper wires and paper insulators wrapped around them. Accounting for this inhomogeneity by zone distinction in CFD model results in many computational subdomains in very small size, which makes model development and mesh generation difficult and also computational costs, very high. In this paper, using definition functions, a method is introduced that for different material properties with no need to resolve solution subdomains. dependency of thermo-physical properties such as conductivity, , and density have been taken care of. Results show that using , model development, and also solution time noticeably reduced without any considerable in numerical results. Furthermore, using Ansys Workbench capabilities for , i.e. geometry reconstruction and mesh generation, effects of several parameters on transformer cooling condition have been investigated. Finally, some guidelines for such transformers design have been addressed.

کلیدواژه‌ها English

Transformer
Hotspot Temperature
Zigzag Cooling Path
Jiao Y. CFD study on the thermal performance of transformer disc windings without oil guides [Dissertation]. Stockholm: KTH vetenskap och konst; 2012. [Link]
2 Sturday A, Peter EA, Omokwudu OB, Chukwujekwu AD, Olumayowa IS, Patricks FO. Thermal investigation and heat flux analysis of a cascaded transformer in the tropics. Scholars Journal of Engineering and Technology. 2017;5(7):317-328. [Link]
Lecuna R, Delgado F, Castro P, Ortiz A, Fernández I, Renedo CJ. Thermal-fluid characterization of alternative liquids of power transformers: A numerical approach. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015;22(5):2522-2529. [Link] [DOI:10.1109/TDEI.2015.004793]
Coddé J, Van der Veken W, Baelmans M. Assessment of a hydraulic network model for zig-zag cooled power transformer windings. Applied Thermal Engineering, 2015;80:220-228. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.01.063]
Marko RM. Thermal modelling of a natural-convection-cooled, oil-immersed distribution transformer [Dissertation]. Winnipeg: University of Manitoba; 1997. [Link]
Rahimpour E, Barati M, Schäfer M. An investigation of parameters affecting the temperature rise in windings with zigzag cooling flow path. Applied Thermal Engineering. 2007;27(11-12):1923-1930. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2006.12.019]
Torriano F, Chaaban M, Picher P. Numerical study of parameters affecting the temperature distribution in a disc-type transformer winding. Applied Thermal Engineering. 2010;30(14-15):2034-2044. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2010.05.004]
Torriano F, Picher P, Chaaban M. Numerical investigation of 3D flow and thermal effects in a disc-type transformer winding. Applied Thermal Engineering. 2012;40:121-131. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2012.02.011]
Chereches NC, Chereches M, Miron L, Hudisteanu S. Numerical study of cooling solutions inside a power transformer. Energy Procedia. 2017;112:314-321. [Link] [DOI:10.1016/j.egypro.2017.03.1103]
Zhang J, Li X. Oil cooling for disk-type transformer windings-part 1: Theory and model development. IEEE Transactions on Power Delivery. 2006;21(3):1318-1325. [Link] [DOI:10.1109/TPWRD.2006.871019]
Ferziger JH, Peric M. Computational methods for fluid dynamics. 2nd Edition. Heidelberg; Springer; 2003. [Link]