室內(nèi)用大型電動(dòng)機(jī)導(dǎo)熱系統(tǒng)探索與改進(jìn)

李林華 張建波 劉東全 周明仙

摘要：滇中有色GM65H-3離心鼓風(fēng)機(jī)自投運(yùn)以來，由于安裝廠房空間受限，設(shè)備產(chǎn)生的熱量使用強(qiáng)化換熱軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行換熱，但無法滿足現(xiàn)場(chǎng)的散熱需求，到夏天氣溫高時(shí)室內(nèi)溫度高達(dá)42℃，對(duì)電氣設(shè)備安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重威脅。通過對(duì)室內(nèi)發(fā)熱設(shè)備發(fā)熱量及強(qiáng)制換熱的計(jì)算，對(duì)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、內(nèi)部散熱原理進(jìn)行分析，最終利用電動(dòng)機(jī)內(nèi)部強(qiáng)制換熱導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)壓力優(yōu)勢(shì)將熱風(fēng)排風(fēng)口收集、導(dǎo)風(fēng)到室外，有效的解決了由于電機(jī)熱量在室內(nèi)惡性循環(huán)導(dǎo)致設(shè)備廠房整體升溫的情況。最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行環(huán)境良好，能耗降低的雙重收貨，促進(jìn)了通過設(shè)備改進(jìn)推進(jìn)企業(yè)安全、環(huán)保、節(jié)能發(fā)展。

關(guān)鍵詞：大型電動(dòng)機(jī);離心鼓風(fēng)機(jī);廠房散熱;強(qiáng)化換熱;導(dǎo)熱系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG355.1+8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0084-02

0 ?引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精密儀器儀表逐步代替了人工對(duì)設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)測(cè)，高溫使用環(huán)境對(duì)普通電氣監(jiān)測(cè)設(shè)備安全運(yùn)行帶來了較大的隱患。滇中有色離心鼓風(fēng)機(jī)廠房?jī)?nèi)安裝了3臺(tái)型號(hào)為GM65H-3的離心鼓風(fēng)機(jī)，電機(jī)裝機(jī)功率為1800kW，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為13121轉(zhuǎn)/min，配套溫度、振動(dòng)、流量、壓力等在線監(jiān)測(cè)裝置。3臺(tái)設(shè)備共同安裝在一間半密閉的廠房?jī)?nèi)，由于廠房設(shè)計(jì)較緊湊，設(shè)備產(chǎn)生的熱量較高，雖然采取了部分散熱手段，但是仍然不能有效解決室內(nèi)溫度高的問題，每年夏季均存在設(shè)備由于環(huán)境溫度引起的異常報(bào)警，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來了隱患。對(duì)如何解決廠房?jī)?nèi)溫度高的問題，已經(jīng)成為公司迫不及待的攻關(guān)項(xiàng)目，本文結(jié)合實(shí)際對(duì)室內(nèi)大型電機(jī)的導(dǎo)熱系統(tǒng)進(jìn)行了探索及改進(jìn)。

1 ?強(qiáng)制通風(fēng)散熱需求計(jì)算

1.1 通風(fēng)機(jī)組通風(fēng)量計(jì)算

對(duì)于通風(fēng)機(jī)機(jī)組而言，主要需散熱的設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，因此計(jì)算風(fēng)量按電動(dòng)機(jī)散熱量考慮。

電動(dòng)機(jī)散熱量（kJ/h）按式（1）估算：

Q=860·N·（1-η） ? ? ? ? ?（1）

式中：N—電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW;η—額定功率時(shí)的電機(jī)效率，%。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得電動(dòng)機(jī)散熱總量為：4179600kJ/h。

1.2 大型鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組通風(fēng)量計(jì)算

鼓風(fēng)機(jī)散熱量（kJ/h）

Q=Nf·860·hf ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Nf—鼓風(fēng)機(jī)軸功率，kW;hf—散熱系數(shù)，一般取hf=0.01～0.02，取值0.02。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得鼓風(fēng)機(jī)散熱總量為：92880kJ/h。

1.3 散熱所需的通風(fēng)量（m3/h）

（3）

式中：Cp—空氣比熱容，一般取Cp=1kJ/（kg.℃）;σ進(jìn)—進(jìn)風(fēng)口處空氣密度，kg/m3，取值1.293;Δt—隔聲罩進(jìn)出口處的空氣溫度差，Δt=t排-t進(jìn)，Δt一般取15～30℃，取值20。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得散熱所需通風(fēng)量為：165215.8m3/h。

根據(jù)廠房局限性，按照50%的有效導(dǎo)熱性能計(jì)算，最終強(qiáng)制通風(fēng)量需確保330431.6m3/h才能保證強(qiáng)制換熱效果。

根據(jù)計(jì)算公式可以看出，鼓風(fēng)機(jī)的散熱量2.2%，在整個(gè)散熱研究過程中，可以忽略不計(jì)，因此，以下研究重點(diǎn)為電機(jī)發(fā)熱量的強(qiáng)化換熱。

2 ?電機(jī)溫度分布分析

在溫度場(chǎng)分析中，采用流固耦合傳熱分析方法，散熱系數(shù)由有限元計(jì)算迭代決定，以提高端部繞組及定轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在本次研究過程中，假設(shè)定子鐵心損耗與繞組銅耗分布均勻，通過流固耦合仿真可得定子與繞組絕對(duì)溫度分布云圖，結(jié)果如圖1所示。定子軸向溫升分布也不均勻、繞組平均溫升明顯大于定子，所有熱負(fù)荷均集中在電機(jī)定子及繞組。

若軸向風(fēng)道與氣隙處為冷卻氣體入口，溫度較低，按照常溫（25℃）計(jì)算，冷卻氣體在從轉(zhuǎn)子幅板流向定子背部的過程中，溫度逐漸升高，總體來講，冷卻空氣的溫升較低。定子繞組由于有2.1mm厚云母帶且發(fā)熱量較大，溫升最高。結(jié)果如圖2所示。

以上綜合分析可以看出，電機(jī)在運(yùn)行過程中，所有熱負(fù)荷均集中在電機(jī)中部，即定子鐵心和定子繞組最集中的區(qū)域。轉(zhuǎn)子、氣隙、定子、繞組溫度分布，通過電機(jī)內(nèi)部強(qiáng)化換熱后與軸向流體分析速度云圖分析基本一致，證明風(fēng)機(jī)內(nèi)部換熱系統(tǒng)對(duì)自身熱交換起到較大的作用。

3 ?通風(fēng)方式的選擇

3.1 現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)制排風(fēng)風(fēng)機(jī)的選擇

由于現(xiàn)場(chǎng)位置受限，能夠按照強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)的位置只有6個(gè)點(diǎn)位，按最大安裝尺寸選擇，現(xiàn)場(chǎng)具備安裝條件的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為25000m3/h/臺(tái)，則風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排風(fēng)量為150000m3/h，與實(shí)際需求330431m3/h相差甚遠(yuǎn)。

3.2 自排系統(tǒng)探索與改進(jìn)

如何恰當(dāng)?shù)厥拐滞饪諝饩鶆虻亓鬟^散熱設(shè)備，將其熱量帶走，以免發(fā)生高溫不散、燒壞設(shè)備現(xiàn)象，必須進(jìn)行人工有組織的空氣流動(dòng)，將熱空氣盡量排除室外，使用室外的冷空氣進(jìn)入發(fā)熱設(shè)備內(nèi)部，經(jīng)過與發(fā)熱設(shè)備熱交換后，熱空氣從上部出口排出。通過對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的研究，該電機(jī)整體結(jié)構(gòu)及電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

通過對(duì)電機(jī)及散熱結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的散熱進(jìn)風(fēng)口為電機(jī)前后端，排風(fēng)口為兩側(cè)面，內(nèi)部散熱為強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)，根據(jù)通風(fēng)原理，結(jié)合廠房實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)完全具備安裝導(dǎo)風(fēng)罩及風(fēng)管的條件。為進(jìn)一步對(duì)電機(jī)導(dǎo)熱系統(tǒng)的研究，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了改進(jìn)，在電機(jī)的兩側(cè)面增加散熱收集導(dǎo)風(fēng)罩，在導(dǎo)風(fēng)罩出口安裝導(dǎo)風(fēng)管道，將熱風(fēng)從電機(jī)出口直接導(dǎo)至室外，如圖4所示。

4 ?現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1 改進(jìn)后設(shè)備熱量分布測(cè)量

通過對(duì)電機(jī)導(dǎo)熱系統(tǒng)進(jìn)行探索、改進(jìn)，正常投入運(yùn)行后，對(duì)電機(jī)的熱量分布進(jìn)行熱成像儀成像分析，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子區(qū)域的熱量明顯低于導(dǎo)風(fēng)罩的溫度，導(dǎo)熱系統(tǒng)的改進(jìn)將電機(jī)內(nèi)部的熱量通過電機(jī)自身的排風(fēng)系統(tǒng)及改進(jìn)的導(dǎo)熱系統(tǒng)有效的輸送機(jī)傳遞，有效的解決了由于電機(jī)熱量在室內(nèi)循環(huán)導(dǎo)致設(shè)備廠房整體升溫的情況。

4.2 改進(jìn)后設(shè)備廠房的溫度對(duì)比情況

通過廠房同一時(shí)間段的測(cè)溫記錄進(jìn)行對(duì)比，可以看出廠房溫度從2019年6月份的最高溫度41.6℃降低至37.1℃。如表1所示。

5 ?結(jié)論

通過對(duì)離心鼓風(fēng)機(jī)廠房?jī)?nèi)3臺(tái)GM65H-3的離心鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)導(dǎo)熱系統(tǒng)安裝完成后，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的集中溫度的轉(zhuǎn)移，室內(nèi)溫度、機(jī)組運(yùn)行溫度及電機(jī)負(fù)荷均有好處，達(dá)到了設(shè)備安全運(yùn)行，能耗降低的雙重收益。在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，將電機(jī)導(dǎo)熱系統(tǒng)作為新設(shè)備采購的重要設(shè)施進(jìn)行參考，同時(shí)對(duì)具備改造條件的室內(nèi)大型電機(jī)進(jìn)行逐步的改造，為設(shè)備安全運(yùn)行及環(huán)保節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

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