Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на железнодорожном транспорте нашли широкое применение полупроводниковые преобразовательные установки (ППУ), такие как УВКМЛ-1, УВКМЛ-2, В-ТПЕД. Основным элементом каждой ППУ является выпрямительный блок, состоящий из силовых полупроводниковых приборов (СПП) и охладителей. Надежная работа СПП требует эффективных охлаждающих устройств типа двухфазные термосифоны (ДТС), работающих по замкнутому испарительно-воздушному циклу при низких внутренних давлениях. Предприятие «НИИЭФА-ЭНЕРГО» приступило к выпуску выпрямителей на 12 МВт и системой охлаждения на базе ДТС, которые уже установлены на тяговых подстанциях «Златоуст» и «Хрустальная».
В процессе проектирования и создания новых конструкций ППУ возникает необходимость учета не только электрических, но и термических сопротивлений контакта - RK, возникающих в разъемных соединениях СПП - охладитель. Наличие контактного термического сопротивления (КТС) между соприкасающимися шероховатыми поверхностями снижает эффективность отвода теплоты охладителем и приводит к увеличению общего температурного перепада в составных деталях выпрямительного блока, что может существенно повлиять на работоспособность СПП. В настоящее время имеется большое число работ по исследованию контактного теплообмена. Однако, процессы влияния КТС на теплообмен в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта остаются пока малоизученными и, следовательно, актуальными.
Объектом исследования являются силовые блоки, состоящие из СПП и устройств испарительно-воздушного охлаждения типа ДТС.
Предметом исследования являются тепловые процессы в условиях контактного теплообмена, протекающие в объектах исследования.
Целью данной работы является повышение эффективности испари-тельно - воздушного охлаждения в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта путем совершенствования процессов контактного теплообмена и методов контроля исправности ДТС.
Для достижения сформулированной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Выполнен анализ теоретических методов исследования контактного теплообмена и определена возможность их использования для расчета КТС в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта.
-
Разработаны математические модели и программы, позволяющие исследовать контактный теплообмен в силовых блоках ППУ с испарительно-воздушным охлаждением.
3. Аналитически исследованы процессы контактного теплообмена
и даны рекомендации по повышению эффективности испарительно -
воздушного охлаждения в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта.
-
Построены графические зависимости КТС от величины шероховатости поверхностей и усилий их сжатия, позволяющие дать оценку его значений на стадии проектирования силового блока ППУ.
-
Проанализированы требования к степени обработки контактных поверхностей и определены параметры шероховатости, при которых достигается наибольшая эффективность испарительно-воздушного охлаждения в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта.
6. Исследованы различные способы повышения эффективности
испарительно-воздушного охлаждения в силовых блоках ППУ путем
увеличения интенсивности контактного теплообмена за счет применения
теплопроводных паст и прокладок, а также обоснована целесообразность
их использования.
-
Проведены экспериментальные исследования КТС в силовом блоке ППУ с испарительно-воздушным охлаждением с целью сравнительной оценки расчетных и экспериментальных данных
-
С целью повышения работоспособности силовых блоков ППУ ж.д. транспорта, разработан метод и технология контроля исправности охладителей типа ДТС.
Научная новизна работы.
1. На основе теории случайных функций впервые разработаны
математические модели и программы, позволяющие моделировать
процессы контактного теплообмена с целью снижения КТС и повышения
эффективности испарительно-воздушного охлаждения еще на стадии
проектирования силового блока ППУ.
2. Исследованы ранее не рассмотренные процессы по увеличению
интенсивности контактного теплообмена в разъемных соединениях
силовых блоков ППУ с испарительно-воздушным охлаждением, с учетом
различных металлических сплавов, теплопроводящих паст и прокладок -
находящихся в широком диапазоне усилий сжатия.
3. Получены графические зависимости КТС от величины шероховатости поверхностей и усилий их сжатия, позволяющие без применения экспериментальных и расчетных методов дать оценку его значений еще на стадии проектирования силовых блоков ППУ.
4. С использованием полученных графических зависимостей предло
жен новый метод расчета КТС в силовых блоках ППУ с испарительно-
воздушным охлаждением.
5. Разработан новый метод диагностирования исправности
охладителей типа ДТС, позволяющий по тепловому состоянию конденса
торной части оценивать их работоспособность во время эксплуатации
или при проведении ремонтных работ.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Полученные в работе результаты позволяют:
1. Применить теорию случайных функций при исследовании
процессов контактного теплообмена в разъемных соединениях блоков
ППУ ж.д. транспорта.
2. С помощью разработанных программ и графических зависимостей
определить величины усилий сжатия и шероховатости поверхностей, при
которых достигается максимальная интенсивность контактного тепло
обмена в силовых блоках с испарительно-воздушным охлаждением.
3. На основе расчетных данных уточнить требования: степени
обработки контактных поверхностей, использования никелевых покрытий,
теплопроводящих паст и прокладок, с целью повышения испарительно-
воздушного охлаждения в силовых блоках ППУ.
-
Выполнить техническую диагностику неисправных охладителей типа ДТС во время эксплуатации ППУ или при ее ремонтных работах.
-
Использовать прикладные программы по расчету КТС в учебном процессе при изучении дисциплины «Тепломассообмен».
Методология и методы исследования. Поставленные в работе задачи решены с помощью методов математического моделирования, разработанных программных средств, а также экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели и программы по расчету КТС в силовых блоках ППУ, разработанные на основе теории случайных функций.
-
Результаты математического моделирования контактного теплообмена и способы повышения эффективности испарительно-воздушного охлаждения силовых блоков ППУ ж.д. транспорта.
-
Метод определения КТС на стадии проектирования силовых блоков ППУ, основанный на применении полученных графических зависимостей
4. Метод диагностирования исправности охладителей типа ДТС,
основанный на оценке теплового состояния их конденсаторной части.
Степень достоверности полученных результатов.
Численное моделирование КТС, выполненное на основе разработанных математических моделей и прикладных программ дает сходимость с экспериментальными данными автора и других исследователей, с погрешностью не превышающей 6...10%.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: Научно-технических конференциях «Неделя науки - 2010,2011,2012» (ПГУПС, г.Санкт-Петербург), Четвертой Всероссийской конференции по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУ-РА-2011» (г.Санкт-Петербург, 2011), Третей Международной научной-практической конференции «Измерение в современном мире - 2011»
(г. Санкт-Петербург, 2011), Шестом Международном симпозиуме «Eltrans, 2011» (г. Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 7 научных работ и 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 182 страницах, включая 65 рисунков, 40 таблиц и 3 приложений. Список литературы составляет 113 наименований.
