عملية تسخين وتبريد المحولات
سواء كان محولًا مغمورًا بالزيت أو محولًا جافًا ، أثناء التشغيل، نظرًا لوجود خسائر في القلب وخسائر النحاس، ستتحول هذه الخسائر إلى طاقة حرارية وتتبدد للخارج، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المحول باستمرار وزيادة درجة حرارته. على وجه التحديد، سترفع الحرارة الناتجة عن خسائر القلب والنحاس تدريجيًا درجة حرارة القلب والملفات. في البداية، ترتفع درجة الحرارة بسرعة، ولكن مع زيادة درجة حرارة القلب والملفات، ستتطور إلى فرق في درجة الحرارة (يُسمى أيضًا ارتفاع درجة الحرارة أو التفاضل في درجة الحرارة) مع وسط التبريد المحيط (مثل الزيت أو الهواء). عند هذه النقطة، ستنقل الملفات والقلب جزءًا من الحرارة إلى الوسط المحيط، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة الوسط. مع انتقال الحرارة من الملفات والقلب إلى الوسط المحيط، سيتباطأ معدل ارتفاع درجة حرارة الملفات والقلب. بعد فترة من الوقت، ستستقر درجة حرارة الملفات والقلب في النهاية ولن تزيد بعد الآن. عند هذه النقطة، تتبدد الحرارة المتولدة من اللفات والنواة بالكامل في الوسط المحيط. تُسمى هذه الحالة حالة التوازن الحراري. تخضع هذه العملية لقوانين “انتقال الحرارة”.
في حالة الاستقرار الحراري (التوازن الحراري)، يكون مسار تدفق الحرارة معقدًا. في المحولات المغمورة بالزيت، تتوفر الخصائص التالية عادةً:
1. انتقال الحرارة من اللفات والنواة:
تنتقل الحرارة الناتجة عن فقدان الحرارة في اللفات واللب أولًا من أسخن النقاط الداخلية في اللفات واللب إلى السطح الملامس للزيت بالتوصيل. لذلك، تكون درجة حرارة السطح دائمًا أقل من درجة حرارة أسخن نقطة داخلية. يوضح الشكل 6-1 توزيع درجة الحرارة في الاتجاه الشعاعي داخل اللفات.
عند إجراء اختبارات وحسابات ارتفاع درجة حرارة اللفات، لا يمكن الحصول إلا على متوسط ارتفاع درجة حرارة اللفات. عادةً ما تكون درجة حرارة أعلى نقطة في اللفات أعلى بمقدار 10-15 درجة مئوية من متوسط ارتفاع درجة الحرارة. وكما ذكرنا سابقًا، يُعد ارتفاع درجة الحرارة عند أعلى نقطة أمرًا بالغ الأهمية في تحديد سعة حمل المحول. على الرغم من إمكانية استخدام طرق مثل قياس درجة الحرارة بالألياف الضوئية لقياس درجة الحرارة عند أعلى نقطة في اللفات، إلا أن هذه المعدات باهظة الثمن ولم تُعتمد على نطاق واسع.
2. نقل الحرارة إلى الزيت:
بعد نقل الحرارة من اللفات والنواة إلى السطح، ستكون درجة حرارة سطح اللفات والنواة أعلى من درجة حرارة الزيت المحيط، مما ينقل الحرارة إلى الزيت الملامس لللفات والنواة، مما يزيد درجة حرارة الزيت تدريجيًا.
عمومًا، يكون متوسط درجة حرارة اللفات أعلى من متوسط درجة حرارة الزيت بمقدار ٢٠-٣٠ درجة مئوية (أي أن ارتفاع درجة حرارة اللفات بالنسبة للزيت يتراوح عادةً بين ٢٠-٣٠ درجة مئوية). في التصميم، يُتحكم عادةً بالخبرة للحفاظ على ارتفاع درجة حرارة اللفات بالنسبة للزيت أقل من ٢٥ كلفن.
3. الحمل الحراري للزيت:
بمجرد تسخين الزيت القريب من اللفات والقلب، يتدفق بشكل طبيعي لأعلى، بينما يتدفق الزيت المبرد لأسفل. هذا هو الحمل الحراري للزيت (نظرًا لضعف توصيله الحراري، فإنه يعتمد بشكل أساسي على الحمل الحراري)، مما يؤدي إلى ارتفاع عام في درجة حرارة الزيت داخل خزان المحول. علاوة على ذلك، ولأن الزيت الساخن يتدفق لأعلى والزيت البارد لأسفل، يكون الزيت في أعلى الخزان دائمًا أكثر سخونة منه في أسفله. عادةً، تكون درجة حرارة طبقة الزيت العلوية أعلى بحوالي 20% من متوسط درجة حرارة الزيت.
يوضح الشكل 1 اتجاه تدفق الزيت في ممرات زيت اللف، ويوضح الشكل 2 اتجاه الحمل الحراري للزيت في خزان أنبوبي وتوزيع ارتفاع درجة الحرارة المحوري، ويوضح الشكل 3 توزيع ارتفاع درجة الحرارة الشعاعي.
4. انتقال الحرارة من الزيت إلى المناطق المحيطة:
يتحرك الزيت الساخن بالقرب من اللفات والنواة، بفعل الحمل الحراري، داخل خزان الزيت. عندما يصطدم الزيت الساخن بجدار الخزان أو أنابيب التبريد، ينتقل جزء من الحرارة إلى الجدار أو الأنبوب، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة الزيت ليصبح زيتًا أبرد يتدفق إلى الأسفل. بالإضافة إلى ذلك، ترتفع درجة حرارة جدار الخزان أو الأنبوب بعد امتصاص الحرارة. كما يُحدث جدار الخزان أو الأنبوب فرقًا في درجة الحرارة مع الوسط المحيط (الهواء). بمجرد انتقال الحرارة إلى السطح الخارجي، تتبدد في الهواء عن طريق الحمل الحراري والإشعاع.
باختصار، تنتقل الحرارة المتولدة من ملفات ولب المحول إلى الهواء الخارجي عبر أجزاء متعددة منه. يُولّد كل جزء من مسار تدفق الحرارة فرقًا في درجة الحرارة، ويعتمد حجم هذا الفرق على قيم الفقد والخصائص الفيزيائية للوسط. يتضمن حساب ارتفاع درجة حرارة المحول حساب فروق درجات الحرارة في أجزاء مختلفة، بما في ذلك فرق درجة الحرارة بين الملفات والزيت، واللب والزيت، والملفات والهواء، واللب والهواء، والزيت والهواء، والفرق بين أقصى درجة حرارة للزيت في الطبقة العليا ودرجة حرارة الهواء المحيط.
– المصدر: جيوينغ