Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/46050
Type: Dissertação
Title: Avaliação do sistema de arrefecimento por óleo dirigido de um transformador de potência móvel por meio de dinâmica dos fluidos computacional
Other Titles: Evaluation of the directed oil cooling system of a mobile power transformer by computational fluid dynamics
Authors: Luciene Martins Moura Rodrigues
First Advisor: Paulo Vinícius Trevizoli
First Co-advisor: Rudolf Huebner
Second Referee: Marcio Fonte Boa Cortez
Third Referee: Guilherme de Souza Papini
Abstract: Os transformadores de potência representam uma parte importante do investimento de capital em subestações de transmissão e distribuição. O arrefecimento dos enrolamentos (bobina elétrica) pode ser intensificado pela circulação forçada do óleo de arrefecimento através dos enrolamentos, bem como nos trocadores de calor externos. Uma troca de calor ineficaz entre o óleo de arrefecimento e os enrolamentos pode diminuir a vida útil do transformador ou até mesmo levar à sua falha repentina. O desenvolvimento da análise matemática, por meio de métodos numéricos, que contmeple as equações de conservação da massa, energia e quantidade de movimento, vêm contribuir para a avaliação do comportamento fluidodinâmico, bem como para o aperfeiçoamento dos projetos de transformadores no sentido de previnir e identificar eventuais problemas de fabricação ou montagem que podem impactar o desempenho térmico do seu sistema de arrefecimento. Desta forma, o presente trabalho propõe um estudo numérico do sistema de arrefecimentode enrolamentos de um Transformador Móvel de Potência de 138x69-34x13,8 kV 25 MVA (designado por TM1), que avaliará o desempenho térmico do sistema de troca de calor operando em condições nominais e sob condições irregulares de escoamento ou falhas geométricas. É proposto um modelo matemático bidimensional, em regime permanente, para simular o escoamento e a transferência de calor entre o óleo e os enroalmentos. Para obter as soluções numéricas, utilizou-se o software Ansys-Fluent®. A validação da análise matemática e computacional é primeiramente embasada em resultados experimentais obtidos na literatura. Após a validação, parte-se para o estudo específico do comportamento fluidodinâmico em TM1, sendo inicialemnte inseridos os valores nominais de vazões de óleo, temperaturas e potência dissipada. Posteriormente, algumas restrições/imperfeições em relação aos parâmetros de entrada e/ou geométricos são artificialmente impostas no modelo, e os seus resultados permitem avaliar o seu impacto sobre o desempenho térmico do TM1. Dentre os casos simulados, verificou-se que alguns desvios geométricos e imperfeições secundárias do processo de manufatura podem afetar diretamente as distribuições de escoamento de óleo, o campo de temperaturas e a localização dos chamados pontos quentes no enrolamento, expondo determinadas áreas a temperaturas acima das admissíveis. Desse modo, para cada perturbação imposta obteve-se um mapeamento das possíveis vulnerabilidades do enrolamento.
Abstract: Power transformers represent an important part of capital investment in transmission and distribution substations. The cooling of the windings (electric coil) depends on the heat exchange, which can be intensified by the forced circulation of the cooling oil throughout the windings as well as in the external heat exchangers. An ineffective heat exchange between the cooling oil and the windings can shorten the lifespan of the transformer or even lead to its sudden failure due to overheating. The development of a mathematical model, and its solution throughout a numerical method, that involves the mass, momentum and energy conservation equations, contributes to the evaluation of the fluid dynamics behavior, as well to the improvement of the transformer´s design in order to prevent and identify manufacturing and/or assembling issues that may impact on the cooling system performance. Thus, the present work proposes a numerical study of the winding cooling system of a 138x69-34x13.8 kV 25 MVA Mobile Power Transformer (named TM1), which will be allowed evaluating the thermal performance of the heat exchange system operating under rated conditions and under irregular flow conditions or geometric issues. A two-dimensional steady state mathematical model is proposed to simulate the fluid flow and heat transfer between the oil and the windings. To obtain the numerical solutions, the Ansys-Fluent® software was used. The validation of the mathematical and computational analysis is initially based on with experimental results obtained in the literature. After validation, the specific study of TM1 is started, initially considering the nominal values for oil flow rates, temperatures, and dissipated power/heart. Subsequently, some restrictions and imperfections in relation to the input and geometric parameters are artificially imposed to the model, and their results allow us to evaluate their impact on the thermal performance of the TM1. Among the simulated cases, it was found that some geometric deviations and secondary imperfections of the manufacturing process can directly affect the oil flow and temperature fields, as well the location of the so-called hot spots in the winding, exposing certain areas to temperatures above of the admissible. In this way, for each disturbance imposed, a mapping of the possible vulnerabilities of the winding is obtained.
Subject: Engenharia mecânica
Fluidodinâmica computacional
Transformadores elétricos
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/46050
Issue Date: 3-Jun-2022
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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