Моделирование теплообмена в гибких проводниках галогенных ламп стенда тепловых испытаний

Рис. 3 Система питания ГЛН стенда: 1 -- медная шина питания ГЛН; 2 -- металлическая рама; 3 -- объект испытаний; 4 -- тепловая изоляция рабочей зоны; 5 -- система подачи газа [Fig. 3. Facility feed system: 1 -- power supply copper bus line for halogen lamps; 2 -- metal frame; 3 -- test specimen; 4 -- heat isolation of working area; 5 -- gas feed system]

Геометрическая модель (рис. 4) электрической цепи системы ГЛН состоит из следующих элементов: медных шин (1), гибких многожильных медных проводов (2), соединительных пластин (3), вольфрамовой проволоки (4), модели вольфрамовой спирали (5), медных клемм (6), мест соединения проволок со спиралью (7). При этом модель вольфрамовой спирали представляет собой полый цилиндр с внешним диаметром 1,6 мм и толщиной стенок 0,3 мм, что соответствует внешнему диаметру и размеру поперечного сечения реальной спирали ГЛН [5]. Лампы включены в цепь параллельно друг другу с помощью медных шин, к которым подводится напряжение. Гибкие провода крепятся к шине с помощью клемм.

Рис. 4 Геометрическая модель электрической цепи системы ГЛН: 1 -- медные шины; 2 -- гибкие многожильные проводники из меди; 3 -- соединительные пластины; 4 -- вольфрамовая проволока; 5 -- модель вольфрамовой спирали; 6 -- медные клеммы; 7 -- место соединения проволоки со спиралью [Fig. 4. Geometric model of electric circuit of halogen lamps: 1 -- copper bus lines; 2 -- flexible twisted copper conductors; 3 -- coupling plates; 4 -- tungsten wire; 5 -- tungsten coil model; 6 -- copper clamps; 7 -- wire-to-spiral connection]

Моделирование проводилось в конечно-элементном пакете программ ANSYS Workbench (лицензия 339001). На основе геометрической модели системы питания ГЛН была создана ее конечно-элементная модель (КЭМ) (рис. 5). Размеры элементов составили от 0,3 до 3 мм в зависимости от геометрических особенностей составных элементов цепи. Общее количество элементов сетки составило более 220 000 шт. Шаг по времени составлял 0,5 с при общей длительности процесса в 300 с. При этом продолжительность одного расчета варьировалась от 3 до 5 ч на вычислительных системах современного уровня (процессор Intel Core i7- 4790).

Целью первого этапа моделирования было определение количества и пространственного распределения тепла, возникающего при прохождении электрического тока по проводникам системы ГЛН. Рассматривались следующие два режима работы системы питания ГЛН:

— стандартный режим -- напряжение питания 220 В;

— форсированный режим, пригодный для достаточно длительных испытаний, -- напряжение питания 250 В;

— чрезвычайный режим, пригодный для кратковременных испытаний, -- напряжение питания 280 В [2].

Схема подключения системы питания ГЛН представлена на рисунке 6 (стрелками указано направление прохождения тока).

Рис. 5 Составные части КЭМ электрической цепи: а -- медная шина; б -- соединительная пластина; в -- модель вольфрамовой спирали; г -- вольфрамовая проволока и место ее соединения со спиралью; д -- многожильный медный проводник с клеммой [Fig. 5. Component parts of electrical circuit FEM: a -- copper bus line; b -- coupling plate; c -- tungsten coil model; d -- tungsten wire connected with the coil; e -- twisted copper conductor with a clamp]

Рис. 6 Схема подключения системы питания ГЛН [Fig. 6. Scheme of halogen lamps set connection]

На рис. 7-9 показаны результаты моделирования электрических процессов в системе питания ГЛН и ее дополненная геометрическая модель (рис. 10).

Результаты моделирования показывают, что наиболее теплонагруженными местами системы являются гибкие провода ламп и медные шины в окрестности токоподводов.

Полученное распределение объемного тепловыделения в системе питания, использовалось для моделирования нестационарного теплообмена, протекающего при работе стенда. При этом геометрическая модель системы питания для проведения теплового расчета была дополнена рядом элементов (рис. 10): изоляцией проводов, колбами и цоколями ламп. Температура колб ламп и спиралей ГЛН заимствовалась из ранее проведенного авторами расчета комбинированного теплообмена в рабочей зоне стенда, в котором в полной мере учитывались все радиационные эффекты и конвективный отвод тепла от колб ламп потоком сжатого газа [4].

Рис. 7 Объемное тепловыделение в спирали при прохождении электрического тока (напряжение питания 220 В), Вт/м3 [Fig. 7. Volumetric heat generation in a coil generated by current flow (supply voltage 220 V), W/m3]

Рис. 8. Объемное тепловыделение в гибком проводе при прохождении электрического тока (напряжение питания 220 В), Вт/м3 [Fig. 8. Volumetric heat generation in a flexible conductor generated by current flow (supply voltage 220 V), W/m3]

Рис. 9

Рис. 10 Дополненная геометрическая модель системы ГЛН: 1 -- изоляция многожильных медных проводов; 2 -- цоколь лампы; 3 -- колба лампы [Fig. 10. Complemented geometry model of halogen lamps set: 1 -- isolation of twisted copper wires; 2 -- lamp base; 3 -- lamp bulb]

Рассматривались три различных варианта отвода тепла от элементов системы питания ГЛН:

1) шины и гибкие провода ламп выведены за пределы рабочей зоны стенда и в целях безопасности изолированы внешним кожухом, что ограничивает возможности их охлаждения. Поэтому считалось, что конвективный отвод тепла будет пренебрежимо мал, и коэффициент теплоотдачи принимался равным нулю;

2) шины и гибкие провода ламп выведены за пределы рабочей зоны стенда. Считалось, что они охлаждаются за счет естественной конвекции с коэффициентом теплоотдачи равным 5 Вт/(м2-К) и за счет радиационного сброса энергии в окружающее пространство с температурой 22 °С;

3) шины и гибкие провода ламп выведены за пределы рабочей зоны стенда, изолированы кожухом, в котором предусмотрена система принудительного охлаждения данных элементов потоком воздуха. При этом коэффициент теплоотдачи принимался равным 50 Вт/(м2-К).

Результаты моделирования этих вариантов при различных напряжениях питания представлены на рисунках 11--19.

Рис. 11 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при использовании кожуха без системы охлаждения (напряжение питания 220 В), К [Fig. 11. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation with cover without cooling (supply voltage 220 V), K]

Рис. 12 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при отсутствии кожуха (напряжение питания 220 В), К [Fig. 12. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation without cover (supply voltage 220 V), K]

Рис. 13 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при использовании кожуха с системой охлаждения (напряжение питания 220 В), К [Fig. 13. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation with cover with cooling (supply voltage 220 V), K]

Рис. 14 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при использовании кожуха без системы охлаждения (напряжение питания 250 В), К [Fig. 14. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation with cover without cooling (supply voltage 250 V), K]

Рис. 15 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при отсутствии кожуха (напряжение питания 250 В), К [Fig. 15. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation without cover (supply voltage 250 V), K]

Рис. 16 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при использовании кожуха с системой охлаждения (напряжение питания 250 В), К [Fig. 16. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation with cover with cooling (supply voltage 250 V), K]

Рис. 17 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при использовании кожуха без системы охлаждения (напряжение питания 280 В), К [Fig. 17. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation with cover without cooling (supply voltage 280 V), K]

Рис. 18. Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при отсутствии кожуха (напряжение питания 280 В), К [Fig. 18. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation without cover (supply voltage 280 V), K]

Рис. 19 Температура медной шины, гибких проводников и их изоляции при использовании кожуха с системой охлаждения (напряжение питания 280 В), К [Fig. 19. Temperature of copper bus line, flexible conductors and isolation with cover with cooling (supply voltage 280 V), K]

Результаты моделирования температурного состояния изоляции гибких проводов ГЛН для различных режимов работы стенда и условий отвода тепла сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Результаты моделирования