Глава 3. Нагрев и охлаждение электрических аппаратов.
3.1. Источники тепла в электрических аппаратах.
Источниками тепла в электрических аппаратах являются электрические и добавочные потери в токоведущих частях и потери в стали магнитопровода. Электрические потери возникают в результате протекания тока по активному сопротивлению токоведущих элементов аппаратов, например, в катушках, на переходном сопротивлении контактов, в токоподводящих шинах и в других элементах. Эти потери определяются произведением квадрата тока на сопротивление токоведущего элемента, т.е.
,
Вт
(8)
Энергия, выделяющаяся в токоведущем элементе в результате этих потерь, будет равна
,
Дж
(9)
На переменном токе в массивных токоведущих элементах возникают добавочные потери вследствие увеличения сопротивления проводника от поверхностного эффекта и эффекта близости. Увеличение сопротивления учитывается коэффициентом добавочных потерь
(10)
равный отношению активного сопротивления проводника переменному току Rпер к сопротивлению проводника постоянному току Rпост. Тогда выражение (8) с учетом добавочных потерь можно записать так
,
Дж (11)
Поверхностный эффект это явление вытеснения тока в проводнике под действием собственного магнитного поля.
Эффект близости это явление вытеснения тока в проводнике под действием магнитного поля соседних проводников с током.
В результате этих эффектов плотность тока в поверхностном слое проводника будет больше чем в среднем сечении.
Потери в стали в основном имеют место в электрических аппаратах переменного тока, а также в некоторых аппаратах постоянного тока, работа которых связана с большой частотой включений. Потери в стали обусловлены потерями на вихревые токи и на гистерезис и выделяются также в виде тепла.
3.2. Способы передачи тепла.
Существует три способа передачи тепла нагретым телом: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание.
Теплопроводность - свойство тел передавать тепло от более нагретых мест к менее нагретым. Путем теплопроводности тепло передается через твердые, жидкие и газообразные тела. Количество тепла dQ, проходящее в единицу времени dt через элементарную площадку dS от более нагретого участка тела к менее нагретому, пропорционально градиенту температуры d/dx в направлении, перпендикулярном площадке и зависит от теплопроводящих свойств материала, т.е.
(12)
где
-
коэффициент теплопроводности.
Знак (-) показывает, что передача тепла идет от мест более нагретых к менее нагретым.
Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, проходящему через площадку в 1 м2 изотермической поверхности в течение 1 с при градиенте температуры в 1 оC/м.
Конвекция. Нагретое тело, помещенное в газ или жидкость, отдает свое тепло частичкам газа или жидкости, которые, нагреваясь, становятся легче и поднимаются вверх, а на их место поступают более холодные частички. Интенсивность охлаждения зависит от скорости движения частиц охлаждающей среды. Если движение частиц охлаждающей среды создается только за счет нагрева их у поверхности горячего тела, то такая конвекция называется естественной конвекцией.
Если движение частиц создается принудительно, например, при помощи вентиляторов, насосов, то такая конвекция называется искуственной. Количество тепла, отдаваемого поверхностью нагретого тела в единицу времени за счет конвекции, определяют по формуле
(13)
где Kток - коэффициет теплоотдачи конвекцией, Вт/oC*см2
- температура нагретой поверхности, оC
- температура охлаждающей среды,
S - площадь поверхности охлаждения, м2.
Лучеиспускание. Это процесс отдачи тепла, при котором тепловая энергия, превращаясь в лучистую, передается от нагретого тела в окружающую среду. Источником лучистой энергии является любое тело, у которого температура отлична от абсолютного нуля. Поглощение лучистой энергии телом зависит от длины волны и состояния его поверхности. Тело, поверхность которого поглощает все падающие на нее лучи, называется абсолютно черным телом. При нагревании оно обладает максимальной способностью излучения энергии. Излучательная способность других тел сравнивается с абсолютно черным телом как с эталоном. Количество тепла, отдаваемого при излучении с поверхности нагретого тела в 1с, может быть определено по формуле
(14)
где Kтол - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/оС4м2.
Отдача тепла нагретым телом обычно происходит одновременно путем теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. При этом трудно определить, какая часть тепла передается в окружающую сркду тем или иным способом. В практических расчетах количество тепла, отводимого с поверхности нагретого тела всеми видами теплоотдачи можно определить по формуле Ньютона
(15)
где Kто - эквивалентный коэффициент теплоотдачи, учитывающий отдачу тепла всеми способами.
Эквивалентный коэффициент теплоотдачи при небольших температурах изменяется незначительно. Поэтому при приближенных расчетах коэффициент теплоотдачи можно принимать постоянным.