Повышение эффективности испарительно воздушного охлаждения в силовых блоках полупроводниковых преобразовательных установок железнодорожного транспорта
На правах рукописи
КРЫЛОВ Дмитрий Витальевич ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПАРИТЕЛЬНО ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В СИЛОВЫХ БЛОКАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Теплотехника и теплосиловые установки».
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Киселев Игорь Георгиевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО ПГУПС «Петербургский государственный университет путей сообщения» Грищенко Александр Васильевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» ФГБОУ ВПО ОмГУПС «Омский государственный университет путей сообщения» Бакланов Александр Алексеевич
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО МГУПС «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).
Защита состоится «22» января 2013 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д218.008.05 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения и на сайте Минобрнауки www.vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «21» декабря 2012 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета университета.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Кручек Виктор Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время на железнодорожном транспорте нашли широкое применение полупроводниковые преобразо вательные установки (ППУ), такие как УВКМЛ-1, УВКМЛ-2, В-ТПЕД.
Основным элементом каждой ППУ является выпрямительный блок, состоящий из силовых полупроводниковых приборов (СПП) и охладите лей. 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 - Rк, возникающих в разъемных соединениях СПП – охладитель. Наличие контактного термического сопротивления (КТС) между соприкасающимися шероховатыми поверх ностями снижает эффективность отвода теплоты охладителем и приводит к увеличению общего температурного перепада в составных деталях выпрямительного блока, что может существенно повлиять на работоспо собность 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:
1. Выполнен анализ теоретических методов исследования контактного теплообмена и определена возможность их использования для расчета КТС в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта.
2. 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.
4. Построены графические зависимости КТС от величины шерохова тости поверхностей и усилий их сжатия, позволяющие дать оценку его значений на стадии проектирования силового блока ППУ.
5. Проанализированы требования к степени обработки контактных поверхностей и определены параметры шероховатости, при которых достигается наибольшая эффективность испарительно-воздушного охлаж дения 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.
7. Проведены экспериментальные исследования КТС в силовом блоке ППУ с испарительно-воздушным охлаждением с целью сравнительной оценки расчетных и экспериментальных данных 8. 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 шерохова тости 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.
5. Выполнить техническую диагностику неисправных охладителей типа ДТС во время эксплуатации ППУ или при ее ремонтных работах.
6. 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:
1. Математические модели и программы по расчету КТС в силовых блоках ППУ, разработанные на основе теории случайных функций.
2. Результаты математического моделирования контактного тепло обмена и способы повышения эффективности испарительно-воздушного охлаждения силовых блоков ППУ ж.д. транспорта.
3. 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 разработан ных 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.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и данные по апробации работы.
В первой главе рассмотрены различные виды полупроводниковых приборов, применяемых в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта. Сделан вывод о перспективности применения СПП таблеточной конструкции, а также проведены анализ и систематизация существующих систем их охлаждения (рис.1).
Системы охлаждения СПП Без промежуточного теплоносителя С промежуточным теплоносителем Воздушное Водяное Однофазный Однофазный естественное или одноконтурное теплоноситель теплоноситель принудительное охлаждение охлаждение Жидкостные Тепловые Двухфазные Комбинированные (тепловая трубы термосифоны труба-термосифон) Рисунок 1 - Классификация систем охлаждения СПП Для маломощных СПП применяют, как правило, воздушные системы, а для мощных СПП – жидкостные системы или испарительно-воздушные системы охлаждения, с применением ДТС или тепловых труб. Данное обстоятельство подтверждается рекламными проспектами и опросными материалами компаний-производителей силовых блоков ППУ таких как:
ОАО «Электровыпрямитель», SEMIKRON, IXYS, EPCOS AG, Электрум AB, ЗАО «Компел», Shenzhen Poweria Electronics Technology Co., ГНУ «Институт Порошковой Металлургии» и другими материалами.
Критерием выбора системы охлаждения является их эффективность, надежность и обеспечение оптимальных температурных характеристик.
Как видно из рисунка 2 значение последних зависит от тепловых сопро тивлений как самого СПП - Rп, определяющего внутренний перепад температуры, так и от значений КТС - Rк и охладителя - Rо, которые в сумме определяют внешний перепад температуры.
Конденсатор Нагретый воздух Испаритель Rо СПП Rп Rк Рисунок 2 – Схема силового блока с двусторонним испарительно-воздушным охлаждением на основе ДТС Rп - тепловое сопротивление «полупроводниковая структура -корпус прибора», °С/Вт;
Rк - тепловое сопротивление «корпус прибора - контактная поверхность охлади теля»,°С/Вт;
Rо - тепловое сопротивление «охладителя - окружающая среда»,°С/Вт.
Величины тепловых сопротивлений различных СПП таблеточного типа и их охлаждающих устройств, приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - Тепловые сопротивления таблеточных СПП Тип Диаметр контактной Тепловое сопротивление, СПП поверхности, мм /Вт Д123-200 19 0, Д133-500 33 0, Д253-1600 50 0, Д163-600 63 0, Д173-1000 75 0, Д183-2500 86 0, Д293-3200 100 0, Таблица 2 - Тепловые сопротивления охладителей для СПП таблеточного типа Тепловое сопротивление: контактная поверхность охладителя охлаждающая среда, /Вт воздушное охлаждение водяное охлаждение тип естественное скорость тип расход охладителя охлаждение воздуха 6 м/с охладителя воды 3 л/мин О232 ОМ 1,120 0,355 0, О123 ОМ 0,710 0,212 0, О242 ОМ 0,670 0,236 0, О353 ОМ 0,355 0,1 0, испарительно-воздушное охлаждение тип охладителя естественное охлаждение скорость воздуха 6 м/с алюминиевый ДТС из сплава АД31 0,175 0, медный ДТС из сплава М1 0,115 0, Снижая сопротивление Rк, можно значительно повысить эффектив ность отвода теплоты от СПП и, тем самым, обеспечить его более надежную работу. В связи с этим были проанализированы имеющиеся данные экспериментальных и теоретических исследований по контактному взаимодействию шероховатых поверхностей, таких авторов как: Ганин Е.А., Гува А.Я., Демкин Н.Б., Дульнев Г.Н., Дыбан Е.П., Миллер В.С., Попов В.М., Рабинерсон А.А., Рудзит. Я.А., Шлыков Ю.П., Хусу А.П.
Cetinkale T.N., Cooper M.G., Dundurs J., Edmonds M.J., Jacobs R.B., Kouwenhoven W.B., Sanokawa K., Tsukisoe T., Weills N.D. и других.
Используемые методы аналитического расчета КТС требуют вычисления большого количества эмпирических параметров и проведения предвари тельных экспериментальных замеров. На основании проведенного анализа сделан вывод о необходимости разработки математических моделей и программ для расчета КТС на ЭВМ с целью исследования и совершенствования теплообменных процессов, а также повышения эффективности испарительно-воздушного охлаждения в разъемных соединениях силовых блоков ППУ ж.д. транспорта.
Во второй главе выполнен анализ теоретических предпосылок для построения математических моделей контактного теплообмена.
Рассмотрены параметры и характеристики шероховатых поверхностей, а также система их оценки от средней линии и в пределах базовой длины, принятые в соответствии с ГОСТ 2789-73*«Шероховатость поверхности».
В соответствии с этим стандартом определяющим параметром шерохова тости является среднее арифметическое отклонение профиля – Ra.
Определены возможные виды упругого и упругопластического контакта в силовых блоках ППУ между СПП и охладителем. Получены с помощью теории случайных функций формулы и зависимости для построения математических моделей упругого и упругопластического контактов применительно к эквивалентной поверхности, имеющей усредненные параметры двух реальных контактных поверхностей силовых блоков ППУ.
Математические модели позволяют определить значения удельного КТС двух соприкасающихся поверхностей СПП и охладителя, с учетом шероховатости поверхностей и усилий сжатия между ними.
Тепловую проводимость контакта к = 1/Rк можно представить как сумму проводимостей фактического контакта по металлу Rм-1 и по межконтактной среде Rc-1:
Rк1 Rм1 Rс1, (1) где Rм = Rст + Rмн - термическое сопротивление по металлу с учетом эффекта стягивания и сопротивления микронеровностей, м2 К/Вт.
Для оценки значений Rм с учетом эффекта стягивания и сопротив ления микронеровностей получено следующее выражение:
Rм h 2мэ N к, 2r hуп hуп (2) где hуп и r - средняя высота и радиус вершин микронеровностей, мкм;
Nк - число контактных пятен, 1/м2;
ф - относительная фактическая площадь контакта;
мэ 212 / 1 2 - теплопроводность эквивалентной поверхности, Вт/(м К).
Термическое сопротивление межконтактной среды можно опреде лить из уравнения, м2 К/Вт: Rc Raэ 2 1 c 1, (3) где с - теплопроводность межконтактной среды, Вт/(м К);
= 1...3,6 относительный уровень деформации;
Rаэ 2Rа1Rа 2 / Rа1 Rа 2 - шероховатость эквивалентной поверхности, мкм.
Рассмотренные уравнения (1)…(3) положены в основу разработан ных математических моделей, в которых с помощью теории случайных функций определяются все параметры, входящие в данные выражения.
В третьей главе проведены теоретические исследования, основанные на численном моделировании процессов контактного теплообмена в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта. С использованием разработанных математических моделей составлены программы автоматизированного расчета КТС, с помощью которых проведены исследования для разъемных соединений СПП-охладитель с различными шероховатыми поверхностями.
Выполнен расчет величины КТС в зависимости от диаметра поверхности СПП при различных усилиях сжатия, результаты которого приведены на рисунке 3.
0, Rк, К/Вт 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 20 40 60 80 100 d, мм Рисунок 3 - Зависимости Rк = f(d) при Raэ=1,7 мкм и Т =393 К для контактной пары:
охладитель из сплава АД31 - СПП с никелированной контактной поверхностью - P=10 МПа;
- P=20 МПа;
- P=30 МПа;
- P=40 МПа;
- P=50 МПа Сравнение полученных зависимостей Rк = f(d) c данными приведен ными в таблицах 1 и 2 показывают, что величина Rк практически соизмерима со значениями тепловых сопротивлений СПП и охладителей.
Рассмотрены контактные пары с медными и алюминиевыми охладителями, случаи никелировки контактных поверхностей, а также применение высокотеплопроводных межконтактных сред.
По результатам исследований построены зависимости Rк = f(P) для различных значений шероховатости Rаэ. Охладитель из медного сплава М и СПП с медной контактной поверхностью показали наименьшие значение КТС. Установлено, что присутствие в зоне контакта никелированных поверхностей повышает значения его термического сопротивления в два и более раза. Для повышения эффективности теплообмена рекомендуется использовать контактные поверхности без никелевого покрытия.
Для снижения КТС могут применяться теплопроводящие пасты и клеи, а также прокладки из легко деформируемых сплавов. В связи с этим проведены теоретические исследования и построены зависимости Rк = f(P) для оценки степени влияния этих материалов на контактный теплообмен в силовых блоках ППУ между СПП и его охладителем (рис. 4).
мК Rк 108, Вт 0 10 20 30 40 50 P, МПа Рисунок 4 - Зависимости Rк = f(P) при Raэ=0,8 мкм и Т =393 К для контактной пары:
никелированный охладитель - СПП с никелированной контактной поверхностью - контакт: никель – никель, межконтактная среда воздух;
- контакт: никель – никель, с применением оловянных прокладок;
- контакт: никель – никель, с примене нием индиевых прокладок;
- контакт: никель – никель, с применением пасты КПТ-8;
- контакт: никель – никель, с применением пасты 131-179;
- контакт: никель – никель, с применением клея (компаунд)К1.
Исследования показали, что пасты КПТ-8 и 131-179, а также клей марки К-1, дают наибольший эффект, снижая КТС между СПП и охладителем в 3…4 раза. Теплопроводящий клей марки К-1 обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с рассмотренными термопастами, однако, его нельзя рекомендовать к использованию в силовых блоках ППУ по причине невозможности дальнейшего демонтажа разъемных соединений. Из опыта эксплуатации ППУ известно, что для снижения КТС между СПП и охладителем, иногда используют прокладки из легкодеформируемых сплавов таких как индий и олово. Из рисунка видно, что применение оловянных и индиевых прокладок для контактной пары СПП-охладитель с никелированными поверхностями не привело к значительному снижению КТС. Более того при обоюдном контакте медных поверхностей применение теплопроводящих прокладок снижает отвод теплоты от СПП в 3 и более раза, так как в этом случае возникает двойной контакт: СПП - прокладка и прокладка - охладитель.
Следует отметить, что эффект снижения КТС при введении в контакт металлических прокладок наблюдается, если поверхности имеют высокую степень шероховатости Rа 10 мкм. При шероховатости Rа 2,5 мкм снижение КТС можно добиться только при очень высоких давлениях P 100 МПа, что не допустимо в разъемных соединениях силовых блоках ППУ, из-за возможности механического разрушения СПП. Следовательно, при рабочих давлениях P = 5…50 МПа и нормированной шероховатости контактных поверхностей Rа 1,6 мкм применение теплопроводящих прокладок из индия и олова в силовых блоках ППУ является нецелесообразным.
Силовые блоки ППУ подвергаются воздействию различных токовых нагрузок, что приводит к увеличению или снижению температуры в зоне контакта СПП и охладителя. В связи с этим проведены исследования влияния температуры на КТС в разъемных соединениях СПП-охладитель.
Из приведенных на рисунке 5 зависимостей Rк = f(Т) видно, что изменение температуры не приводит к значительному повышению КТС.
мК Rк 106, Вт 0 50 100 150 T, Рисунок 5 - Зависимости Rк = f(T) при P = 30 МПа и Rаэ=0,9 мкм для контактных пар:
- никель - никель;
- сплав АД31-никель;
- сплав М1-никель;
- сплав М1 - медь.
Отсюда следует вывод о том, что изменение токовых нагрузок в силовых блоках ППУ не оказывает существенного влияние на КТС, а основными параметрами, определяющими его величину, являются:
шероховатость поверхности, усилия их сжатия и свойства межконтактной среды.
На основе полученных графических зависимостей Rк = f(P) предложен метод определения КТС в силовых блоках ППУ ж.д. транспорта, который направлен на решение двух задач: прямой и обратной. Решение первой задачи позволяет при известных величинах давлений и шероховатости поверхности найти значение удельного КТС, которое возникает между СПП и его охлаждающим устройством. Решение второй задачи связано с определением необходимого давления для создания наиболее эффективных условий контактного теплообмена между СПП и охладителем (рис.6).
мК Rк 108, Вт мК Rк = 900 Вт P, МПа P=6 МПа 0 10 20 30 40 50 60 Рисунок 6 - Зависимости Rк = f(P) при Т = 393 К для пары сплав никель – никель:
- Rк = f(P) при Rаэ =0,32 мкм;
- Rк = f(P) при Rаэ =0,5 мкм;
- Rк = f(P) при Rаэ =0,63 мкм;
Использование разработанных программ автоматизированного расчета и предложенного метода, позволяют на стадии проектирования силового блока ППУ дать оценку значениям КТС и проводить операции по повышению эффективности охлаждающих устройств.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям контактного теплообмена в силовом блоке ППУ, состоящего из СПП таблеточного типа Д123-200 и двух медных испарительно-воздушных охладителей типа ДТС из сплава М1. Программа экспериментальных исследований включала два этапа. Первый был связан с исследованием шероховатости контактных поверхностей этих устройств, а второй был посвящен исследованию теплового состояния силового блока ППУ на экспериментальной установке. На первом этапе с помощью профилометра 170623 проведены исследования контактных поверхностей данных прибо ров, их шероховатости составили: Ra = 0,77 мкм для диода и Ra = 1,8 мкм для охладителя типа ДТС. Эти значения использованы в качестве исходных данных для расчета на ЭВМ значений КТС в условиях упругого и упругопластического контактов. В процессе второго этапа силовой блок ППУ включался в схему экспериментальной установки (рис.7), где с помощью многоамперного генератора нагружался стабилизированным постоянным током с параметрами: I = 200A и U = 0,5В.
в Рисунок 7 - Структурная схема экспериментальной установки 1 – многоамперный генератор;
2 – регулятор напряжения;
3 – измерительный шунт;
4 – миллиамперметр;
5 – таблеточный СПП Д123-200;
6 - испарительно-воздушный охладитель типа ДТС;
7 – токоведущая шина;
8 – термостат;
9 – многоточечный переключатель;
10 – потенциометр ПП 63;
11 – вентилятор;
12 – ртутный термометр;
13– милливольтметр;
точки 1…4 – термопары блока;
t1…t4 – точки установки термопар и термометров для измерения температуры охлаждающего воздуха.
Для измерения температуры Тс на контактной поверхности диода Д123-200 и температуры Тh на контактной поверхности охладителя, применены термопары типа ХА с диаметром проводов 0,3 мм (точки 1…4).
Рабочие спаи термопар 1 и 4 располагались в исследуемых контактных поверхностях на глубине 1,5 - 2 мм и не доходя 2 мм до центра контактной поверхности СПП. В качестве вторичного прибора для измерения термо ЭДС термопар был использован потенциометр ПП-63, работающий на основе компенсационного метода с классом точности 0,05.
Усилия сжатия в монтажном устройстве блока устанавливались с помощью динамометрического ключа и имели следующие значения:
Р = 6, 10, 20, 40 и 50 МПа. Для экспериментального определения КТС использовалось следующее выражение:
Rк Т с Th / PF ( AV ), (4) где Тс и Тh - температуры соответственно на поверхностях СПП и охладителя, 0С;
PF ( AV ) - мощность тепловых потерь в диоде, Вт.
На основании полученных экспериментальных данных была построена зависимость Rк = f(P) для контактной пары охладитель типа ДТС из медного сплава М1 – никелированный диод Д123-200, которая сравнивалась с уже полученной теоретической зависимостью (рис.8).
мК Rк 108, Вт P, МПа 0 10 20 30 40 50 Рисунок 8 - Зависимость Rк = f(P) при Т = 393 К для пары никелированный диод Д123 -200 – охладитель типа ДТС из медного сплава М1:
- Rк = f(P) при упругом контакте;
- Rк = f(P) при упругопластическом контакте;
- экспериментальные данные.
Из приведенных зависимостей Rк = f(P) видно, что полученные экспериментальные данные наиболее полно совпадают с расчетными, выполненными на основе математической модели упругого контакта при средней погрешности 6…10%.
В пятой главе рассмотрены существующие способы диагностики силовых блоков ППУ: визуальный, функциональный и тестовый.
Проанализированы дефекты СПП и причины их возникновения, связанные с некорректным монтажом, превышением усилий сжатия и тепловым пробоем. Выполнен анализ существующих методов контактного и бесконтактного измерения температуры, в ходе которого выделены термопары с малым диаметром проводов за их точность и удобство при монтаже в силовых блоках ППУ, а также пирометры за возможность проводить измерения без вторичного прибора и без непосредственного контакта с измеряемой поверхностью. С помощью данных приборов проведено термометрирование силового блока с охладителем типа ДТС, для определения возможных расхождений в измерениях температуры.
Из-за опасности повреждения вторичного прибора, при измерении температуры термопарами типа ХА ТП-0188 питание на силовой блок не подавалось. Измерение температуры бесконтактным методом выполнялось с помощью цифрового пирометра RAYNGER ST20. Результаты термомет рирования представлены в таблице 3.
Таблица 3 -Результаты измерения температуры контактными и бесконтактными методами, 1, 2, Тип охладителя,% 97,8 95,8 2,0 2, ДТС из сплава АД-31 112,1 109,8 2,3 2, 127,5 123,7 3,8 2, Примечания: 1 - избыточная температура наружной поверхности конденсатора ДТС, измеренная при помощи ХА - термопар ТП-0188;
2 - то же, с помощью пирометра RAYNGER – ST20 в этой же точке конденсатора;
1 2 ;
/ 1 100%.
Полученные данные (табл. 3.) показывают, что расхождение в показа ниях при измерении температуры с помощью термопар или пирометра является незначительным и не превышает 3%.
Вследствие того, что термопары невозможно использовать во время работы силовых блоков ППУ, контроль за их тепловым состоянием наиболее рационально осуществлять с помощью ручных пирометров.
В настоящее время наиболее перспективными охлаждающими устройствами силовых блоков ППУ являются испарительно-воздушные системы на основе ДТС или тепловых труб, работоспособность которых во многом определяется уровнем их вакуумирования. Разгерметизация ДТС и потеря им промежуточного теплоносителя приводит к снижению отвода теплоты от СПП в 4...5 раз, что приводит к росту как КТС, так и общего температурного перепада в силовом блоке. Определить данный дефект визуальной диагностикой практически невозможно. Поэтому оценка работоспособности охладителей также важна, как и контроль за тепловым состоянием СПП. Предложен метод диагностирования работоспособности охладителей типа ДТС, где основным критерием является тепловое состояние его конденсаторной части. Метод основан на результатах (4) измерений температуры наружных поверхностей конденсатора в его основании с температурой - макс и на свободных концах конденса торных труб с температурой - мин. Основным показателем исправности ДТС выбран относительный параметр, позволяющий судить о работоспособности ДТС, который не должен превышать 2…3 %.
(max min ) 100% (5) max Более высокие значения параметра свидетельствуют о наличие дефектов ДТС, которые связаны с его разгерметизацией и потерей промежуточного теплоносителя.
Предлагаемый метод диагностирования работоспособности ДТС был испытан на различных конструкциях охладителей, при этом исследовались как работоспособные, так и неисправные охладители.
Результаты диагностирования охладителей представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты диагностирования ДТС при нагреве Тип охладителя нагрузка RAYNGER – ST макс, мин,,% Неисправный ДТС из 25% 52,5 40,1 23, сплава АД-31 50% 78,3 59,5 100% 133,5 103,8 22, Неисправный ДТС из 25% 51,9 40,3 22, сплава М1 50% 69,6 52,5 24, 100% 132,1 102,4 22, ДТС из сплава М1 с 25% 44,8 42,5 5, частичной 50% 68,4 64,7 5, разгерметизацией 100% 114,6 107,9 5, Исправный ДТС 25% 37,3 36,7 1, из сплава М1 50% 55,2 54,3 1, 100% 108,5 106,6 1, Примечания: макс - избыточная температура конденсатора в его основании;
мин - избыточная температура на свободных концах конденсаторных труб.
Испытания охладителей показали, что предложенный метод может быть использован для оценки работоспособности охладителей типа ДТС.
Для исправных ДТС показатель качества не превышает допустимых 2…3%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Исследования, выполненные в данной работе, позволили получить следующие результаты:
1. Созданы на основе теории случайных функций математические модели и программы автоматизированного расчета КТС, позволяющие моделировать условия контактного теплообмена еще на стадии проектирования силовых блоков ППУ ж.д. транспорта.
2. Экспериментально подтверждена адекватность математических моделей реальным условиям эксплуатации силового блока ППУ с испарительно-воздушным охлаждением. Расхождение теоретических и экспериментальных значений КТС не превышало 6…10 %.
3. Проведены теоретические исследования контактного теплообмена при различных сочетаниях контактирующих материалов, применяемых в разъемных соединениях силовых блоков ППУ.
4. Установлено, что для достижения оптимальных значений КТС следует применять контактирующие поверхности с шероховатостью Ra = 0,32…0,8 мкм, находящиеся при давлениях P = 30…50 МПа. При этих параметрах будут достигнуты наилучшие условия для повышения эффективности испарительно-воздушного охлаждения.
5. Установлено, что наибольшая интенсивность контактного тепло обмена наблюдается в сопряженных парах с медными поверхностями при коэффициенте теплообмена = (61…836)*104 Вт/(м2К). Добиться еще большего повышения эффективности теплообмена в 3…4 раза можно применив теплопроводные пасты: КПТ-8 и 131-179 по ТУ6-02-1-342-79.
6. Определено, что наличие в зоне контакта СПП – охладитель никелированных поверхностей снижает интенсивность теплообмена в силовых блоках ППУ в 2 и более раза.
7. Установлено, что применение теплопроводящих прокладок не приводит к увеличению интенсивности теплообмена в силовых блоках с никелированными поверхностями, а при контакте медных поверхностей снижает отвод теплоты от СПП к охладителю в 3 и более раза.
8. Разработан метод с использованием полученных графических зависимостей Rк = f(P), позволяющий дать оценку КТС без применения экспериментальных и численных методов еще на стадии проектирования силового блока ППУ.
9. Предложен метод диагностирования работоспособности охладите лей типа ДТС. Основным показателем работоспособности ДТС выбран относительный параметр, который не должен превышать 2…3 %. Более высокие значения параметра свидетельствуют о наличие дефектов ДТС, которые связаны с его разгерметизацией и потерей промежуточного теплоносителя.
Основные положения диссертации опубликованы:
- В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Киселев И.Г., Крылов Д.В. «Математическое моделирование кон тактного теплообмена в полупроводниковых преобразовательных установ ках ж.д. транспорта» - журнал «Известия ПГУПС».-№1 2012.- С.66 - 71.
- В других изданиях:
2. Киселев И.Г., Крылов Д.В. «Диагностика нагрева силовых полупроводниковых приборов в преобразователях с испарительно воздушным охлаждением» II Всероссийская научно-практическая конференция «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и транспортировки теплоты»- ДГТУ. Махачкала, декабрь 2010. С.66 - 67.
3. Киселев И.Г., Крылов Д.В. «Выбор средств измерения температуры для диагностики теплового состояния в ППУ» Четвертая Всероссийс кая конференция по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011» / ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», апрель 2011.- С. 53-58.
4. Крылов Д.В. «Диагностика теплового состояния на ППУ ж.д.
транспорта» Третья Международная научно-практическая конференция «Измерение в современном мире – 2011» / Крылов Д.В. - Дом Ученых в Лесном при Санкт-Петербургском политехническом университете, май 2011.- С. 71- 73.
5. Киселев И.Г., Крылов Д.В. Метод диагностирования исправности охладителей испарительно-воздушного типа, применяемых в преобразо вательных установках ж.д. транспорта и метрополитенов. Шестой международной симпозиум «Eltrans – 2011» - В сборнике «Электрифи кация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте».- СПБ.: ПГУПС, 2011.- С. 63-64.
6. Крылов Д.В. «Математическое моделирование контактного теплообмена в разъемных соединениях энергетических установок». сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции «Инженерная мысль машиностроения будущего».- ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого президента России Б.Н.Ельцина». Екатеринбург, апрель 2012.- C. 84-86.
7. Киселев И.Г., Крылов Д.В. «Математическое моделирование контактного теплообмена при упругой деформации микровыступов шероховатых поверхностей»/ - сборник трудов Всероссийской научно практической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования». - ДВГУПС. Хабаровск, апрель 2012. C. 92-94.
Подписано к печати Печ.л.-1,0 п.л.
Печать-ризография Бумага для множит апп. Формат 60 84 1/ Тираж 100 экз. Заказ № СР ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр.