Toto je jedna z otázok, ktorá sa zdá byť jednoduchá, kým nestojíte v strojovni s okolitými teplotami dosahujúcimi 45 °C a transformátorom, ktorý sa zahrieva viac, ako by mal. Dodal som námorné transformátory pre všetko od malých pracovných člnov až po veľké pobrežné plavidlá a spôsob chladenia nie je len špecifikácia – je to požiadavka na prežitie.
Poďme sa porozprávať o tom, ako tieto transformátory zostávajú chladné a prečo na mori záleží viac ako kdekoľvek inde.
Prečo je chladenie na lodi viac dôležité
Transformátor vytvára teplo. Vždy. Straty medi z prúdu pretekajúceho vinutím, straty v jadre z magnetického cyklovania – to všetko sa mení na tepelnú energiu, ktorá musí niekam ísť. Na súši je to zvyčajne jednoduché. Transformátor umiestnite do vetranej miestnosti alebo vonku a necháte vzduch robiť svoju prácu.
Na lodi nie je nič jednoduché. Okolitá teplota v strojovni môže byť extrémna. Vzduch je často nasýtený soľou a vlhký. Priestor sa meria v centimetroch, nie v metroch. A ak sa transformátor prehreje, nevoláte nákladné auto, aby priviezlo náhradu - vysvetľujete kapitánovi, prečo plavidlo stratilo základnú energiu.
Jazyk metódy chladenia – čo tieto písmená znamenajú
Skôr než sa vrhneme na konkrétne metódy, dekódujme štandardnú nomenklatúru. Každý spôsob chladenia je opísaný štvorpísmenovým kódom:
- Prvé písmeno: Vnútorná chladiaca kvapalina (O pre olej, A pre vzduch)
- Druhé písmeno: Metóda cirkulácie pre vnútorné chladenie (N pre prirodzenú konvekciu, F pre nútenú)
- Tretie písmeno: Externé chladivo (A pre vzduch, W pre vodu)
- Štvrté písmeno: Metóda cirkulácie externého chladiva (N pre prirodzené, F pre nútené)
ONAN teda znamená Oil Natural Air Natural – klasický olejový transformátor bez ventilátorov alebo čerpadiel. OFWF znamená Oil Forced Water Forced - čerpadlá pohybujúce olej cez vodou chladený výmenník tepla.
Chladenie vzduchom – jednoduchý prístup
Prírodný vzduch (AN).Niektorímenšie námorné transformátory, najmä tie, ktoré obsluhujú pomocnú záťaž v klimatizovaných priestoroch, využívajú prirodzené chladenie vzduchom. Transformátor sa spolieha na okolitý vzduch, ktorý odvádza teplo konvekciou. Žiadne ventilátory, žiadne pohyblivé časti, žiadna údržba.
Háčik je v kapacite. Prirodzené chladenie vzduchom funguje len pre menšie hodnoty kVA a tam, kde sú okolité teploty primerané. Dajte AN transformátor do horúcej strojovne so slabým vetraním a čoskoro ho vymeníte.
Nútený vzduch (AF).Pridanie ventilátorov dramaticky zvyšuje chladiaci výkon. Vzduch je fúkaný cez vinutia a jadro, čím rýchlejšie odvádza teplo. Ventilátory sa zvyčajne zapínajú a vypínajú na základe teploty vinutia, takže nebežia neustále.
Na lodiach si nútené chladenie vzduchom vyžaduje venovať pozornosť filtrácii. Vzduch v strojovni obsahuje olejovú hmlu, soľ a častice. Fúknite to priamo cez vinutia transformátora a pokryjete izoláciu vodivými nečistotami. Dobré návrhy využívajú filtrovaný nasávaný vzduch alebo čerpajú z čistejších priestorov.
Chladenie oleja – pracant
Väčšinastredné a veľké námorné transformátorysú naplnené olejom. Olej má dvojitú funkciu: izoluje a chladí.
ONAN-Oil Natural Air Natural.Toto je základná línia. Prenos tepla z vinutia a jadra do okolitého oleja. Horúci olej stúpa do hornej časti nádrže, kde sa dotýka stien nádrže alebo panelov chladiča. Okolitý vzduch, ktorý buď prirodzene cirkuluje, alebo sa pohybuje s ventiláciou lode, odvádza teplo preč.
ONAN je jednoduchý, spoľahlivý a úplne pasívny. Žiadne čerpadlá, žiadne ventilátory, žiadne ovládacie prvky. Pre mnohé námorné aplikácie je to presne to, čo chcete – menej vecí, ktoré by na mori zlyhali.
ONAF-Oil Natural Air Forced.Keď ONAN nestačí, pridajte fanúšikov. Olej stále prirodzene cirkuluje, ale ventilátory fúkajú vzduch cez radiátory, čím sa zvyšuje prenos tepla. To môže zvýšiť kapacitu transformátora o 30% alebo viac v porovnaní so samotným ONAN.
Videl som transformátory ONAF na plavidlách, kde si priestorové obmedzenia vynútili menšiu nádrž, než by si menovitý výkon normálne vyžadoval. Ventilátory odkúpia kapacitu stratenú kompaktnosťou.
OFAF-Oil Forced Air Forced.Tu čerpadlá aktívne cirkulujú olej cez radiátory, zatiaľ čo ventilátory cez ne fúkajú vzduch. Toto je pre vážne úrovne výkonu - druh transformátorov, ktoré napájajú hlavné pohony lode alebo veľké hotelové zaťaženie.
Kompromisom je zložitosť. Čerpadlá potrebujú napájanie, ovládanie a údržbu. Ale keď potrebujete maximálny kVA z minimálnej stopy, OFAF vám to poskytne.
OFWF-Oil Forced Water Forced.Toto je ťažký zdvihák. Čerpadlá cirkulujú olej cez výmenník tepla a morská voda cirkuluje na druhej strane. Tepelná vodivosť vody vyfukuje vzduch z vody doslova. OFWF zvládne enormné tepelné zaťaženie v kompaktnom balení.
Existuje dôvod, prečo sa OFWF používa na pobrežných plošinách a veľkých plavidlách s vysokými požiadavkami na energiu: funguje tam, kde chladenie vzduchom nemôže. Do chladiacej slučky však zavádza morskú vodu, čo znamená, že materiály odolné voči korózii, starostlivá údržba a detekcia netesností sú nemenné.
Vodné chladenie - priame a nepriame
Niektoré špecializované námorné transformátory využívajú priamo vodné chladenie.
Nepriame chladenie vodouje bežnejší. Transformátor je naplnený olejom a olej prechádza cez vodou chladený výmenník tepla. Toto je v podstate OFWF a je to štandard pre vysokovýkonné aplikácie, kde je k dispozícii morská voda.
Priame chladenie vodou- kde voda cirkuluje cez duté vodiče - existuje, ale v námornej praxi je zriedkavý. Riziko úniku vody vo vnútri transformátora je príliš vysoké pre pohodlie väčšiny operátorov. Keď sa používa, je to zvyčajne vo veľmi výkonných špecializovaných aplikáciách s redundantnými bezpečnostnými systémami.
Čo poháňa výber
Východiskovým bodom je menovitý výkon. Malé pomocné zariadenia? Chladenie vzduchom je v poriadku. Hlavné hnacie transformátory? Pozeráte sa na ONAF alebo OFWF.
Priestorové obmedzenia sú na lodiach mimoriadne dôležité. Ak máte priestor pre veľkoryso dimenzovaný transformátor ONAN, je to často najspoľahlivejšia voľba. Ak naháňate silu do úzkych priestorov, nútené chladenie vykúpi stopu.
Okolité podmienky nemožno ignorovať. Transformátor v klimatizovanom strojovni má ľahšiu životnosť ako ten, ktorý je vystavený teplu strojovne. Spôsob chladenia musí brať do úvahy najhorší prípad prostredia, nie priemer.
Požiadavky na redundanciu niekedy diktujú výber. V prípade kritických aplikácií môže viacero menších transformátorov s chladením ONAN poraziť jednu veľkú jednotku núteným chladením – pretože ak na veľkej jednotke zlyhajú ventilátory, stratíte kapacitu. Viaceré malé jednotky vám poskytujú n-1 redundanciu.
Čo hovorím námorným inžinierom
Keď sa ma niekto spýta na chladenie prenámorný transformátor, začínam zaťažovacím profilom. Koľko energie, ako dlho, v akom prostredí?
Potom sa pýtam na spôsoby zlyhania. Ak sa ventilátor zastaví, môže transformátor prežiť pri zníženom zaťažení až do portu? Ak čerpadlo zlyhá, existuje pohotovostný režim? Ak dôjde k strate chladenia morskou vodou, ako dlho budete musieť vypnúť?
Odpovede riadia dizajn. Pre niektoré plavidlá je jednoduchý ONAN s veľkorysými rezervami tým správnym volaním – žiadny jediný bod zlyhania, len pasívna spoľahlivosť. Pre ostatných si hustota výkonu vyžaduje nútené chladenie a my navrhujeme, aby tomu zodpovedali ovládacie prvky a monitorovanie.
Kľúčom je prispôsobenie metódy misii. Transformátor na príbrežnom trajekte má iné potreby ako transformátor na vrtnej lodi, ktorá zostáva na mori niekoľko mesiacov. Podľa toho navrhujeme.
Ak špecifikujete námorné transformátory a chcete sa porozprávať o možnostiach chladenia – čo funguje, čo nie a čo tie kompromisy skutočne znamenajú – som rád, že sa o tom porozprávam. More je neúprosné. Vaše vybavenie na to musí byť pripravené.
Referencie
- IEC 60076-2, *Výkonové transformátory – Časť 2: Nárast teploty pre transformátory ponorené do kvapaliny*.
- IEEE Std C57.12.00, Štandardné všeobecné požiadavky na rozvodné, napájacie a regulačné transformátory ponorené do kvapaliny.
- Pravidlá ABS pre stavbu a klasifikáciu námorných plavidiel, časť 4, kapitola 8 (Elektrické systémy).
