Naslov Računalna simulacija hlađenja transformatorske stanice Naslov (engleski) Numerical simulation of transformer station cooling Autor Davor Dundović Mentor Severino Krizmanić (mentor)Ustanova koja je dodijelila Sveučilište u Zagrebu Datum i država obrane 2019-12-06, Hrvatska Znanstveno / umjetničko TEHNIČKE ZNANOSTI Sažetak Trafostanice su postrojenja u kojima se transformira napon s visokih vrijednosti na niske i
obrnuto. Prilikom rada, transformatorska oprema se grije i na taj način stvar toplinsko opterećenje
prostorije te je nužno projektirati sustav cjelogodišnjeg hlađenja. Kako bi se projektiranje termotehničke
opreme (eng Heating, Ventilation, Air Conditioning, u daljnjem tekstu HVAC) izvršilo
prema zakonskim propisima, potrebno je simulirati toplinsko opterećenje i dokazati da će zadano
rješenje sustava hlađenja zadovoljiti projektne zahtjeve.
U ovom slučaju dominantan mehanizam prijenosa topline, odnosno stvaranja toplinskog opterećenja,
je putem prisilne konvekcije pomoću ventilatora transformatorskih ormara. Na taj način
zrak iz prostorije ulazi u ormar, hladi zavojnice transformatora, a topli zrak izlazi kroz krovni
ispust ormara transformatora nazad u prostoriju. Vanjsko toplinsko opterećenje putem mehanizma
sunčevog zračenja i konvekcije toplog zraka na zidove je zanemarivo naspram razlika temperatura,
ali je ipak modelirano kao izotermni rubni uvjet temperature stjienke s unutrašnje strane prostorije
kako bi se pojednostavio proračunski model. Proračun je izvršen za najgori slučaj, pri ljetnim
uvjetima, odnosno pri vanjskoj projektnoj temperaturi zraka od 35 C. Koeficijenti prolaza topline
kroz stijenke zidova su preuzeti iz arhitektonskog projekta.
Projektiranje položaja i količine elemenata sustava može predstavljati izazov. Uz pomoć alata
računalne dinamike fluida (eng. Computational Fluid Dynamics, u tekstu CFD) i vizualizacijom
rezultata analize olakšano je pozicioniranje elemenata sustava hlađenja, a samim time i proces
projektiranja. Dobivanjem polja brzine i temperature, projektant može poboljšati karakteristike i
učinkovitost sustava izmjenom položaja i broja dijelova termotehničkog sustava.
Na temelju rezultata CFD analize se provjeravaju cirkulacijske zone toplog zraka kao i kapacitet
hlađenja. Na taj način projektant može provjeriti cirkulacijske zone toplog zraka i zadovoljava li
projektirani sustav projektne zahtjeve.
Proračuni su izvršeni u programskom paketu OpenFOAM v7. Korišten je model nestlačivog
turbulentnog strujanja s izmjenom topline. Slobodna konvekcija je modelirana pomoću aproksimacije
Boussinesqa. Izvršen je stacionarni i nestacionarni proračun. Korišten je provjeren model
turbulencije kwSST. Svi parametri simulacije su postavljeni prema podacima iz projekta.
Sažetak (engleski) Electrical substations are part of electrical power systems, where transformation from high to
low voltage (or reverse) occurs. Transformers generate heat during operation and at the same time
create heat load of the rooms. Therefore, it is necessary to design all year round cooling system.
In order to design correctly HVAC equipment according to lawful regulations, it is necessary to
calculate heat load and validate that given system will satisfy project assignement.
In this particular case, dominant mechanism for heat transfer is convection. Convection occurs
because of transfomers fans settled inside of transformer box. In that case, air from the room flows
to the transformer box and cools down the transfomer coils. During this process heat transfers to the
air, and hot air is exiting from the transfomer box roof opening into the room. Environment heat via
radiation and convection is rather small, but its effect on flow field is taken into consideration with
isotermal boundary condition of insidewall. Calculation is performed inworst case scenario, during
summer conditions with outside air temperature of 35 degrees Celsius. Thermal transmittance is
used from architecture map, so that correct temperature at walls can be calcuated.
Choosing the right positions for the elements of the system can be quite a challenge. Utilizing
the methods of Computational Fluid Dynamics can make process of designing cooling system
significantly easier. Therefore, by analyzing the fields of interest (e.g. temperature and velocity
field), a designer can optimize system by changing quantity and positions of equipment elements,
and therefore increase efficiency of the system.
On the basis of the results of the CFD analysis, a designer can check if there are circulations
zones of the hot air that are not being taken care of. Also, designer can check if designed equipment
can handle heat load and fulfill design conditions.
Calculations are made in open source software OpenFOAM. Incompressible, turbulent flow with
heat transfer model is used. Buoyancy is modeled via Boussinesq approximation. Steady state
and transient simulations is performed. Turbulence is modeled using kwSST turbulence model. All
parameters of simulations are set up according to the input informations of the project.
Ključne riječi
računalna dinamika fluida (CFD)
hlađenje trafostanice
procjena toplinskog opterećenja
slobodna konvekcija
Ključne riječi (engleski)
computational fluid dynamics
HVAC
electrical substation cooling
thermal load assessment
buoyancy
Jezik hrvatski URN:NBN urn:nbn:hr:235:454721 Studijski program Naziv: Strojarstvo Vrsta resursa Tekst Način izrade datoteke Izvorno digitalna Prava pristupa Otvoreni pristup Uvjeti korištenja Datum i vrijeme pohrane 2019-11-27 08:45:50
