Вязкость чистых углеводородов изменяется в широких пределах в зависимости от размера и структуры молекулы. Опубликованные исследования позволяют сделать следующие заключения о связи между вязкостно-температурными характеристиками нефтяных фракций и отдельных углеводородов и их структурой. Увеличение молекулярной массы парафиновых углеводородов приводит к повышению вязкости. Для ароматических углеводородов с повышением длины боковой цепи вязкость увеличивается примерно по параболическому закону (относительно числа атомов углерода в боковых цепях) (рисунок 5). 0 4 8 12 16 20 Число атомов углерода в боковой цепи Рисунок 5 - Зависимости между вязкостью и длиной боковой сети для алкибензолов (пунктирная линия) и β-алкилнафталинов (сплошная линия) Наличие циклов в молекулах углеводородов приводит к повышению их вязкости. Чем сложнее строение кольца, тем больше вязкость при данной молекулярной массе. Вязкость алкилзамещенных ароматических углеводородов возрастает с увеличением числа боковых цепей. Установлена функциональная зависимость между параметрами, определяющими вязкостные свойства масла, и его углеводородным составом, которая подтверждена экспериментально на примере большого числа образцов масла. Указывается, что, используя такую зависимость, можно на основании данных структурно-группового анализа масла вычислить значения его вязкости при любой температуре, превышающей температуру застывания масла. Исследования, проведенные с различными масляными дистиллятами отечественных нефтей, показывает, что наилучшими вязкостно-температурными характеристиками обладают фракции масел, содержащие моноциклические нафтеновые с длинными боковыми цепями и парафиновые углеводороды. Удаление парафиновой части из таких фракций приводит обычно к возрастанию уровня вязкости. Для ароматической части масла характерно улучшение вязкостно-температурных свойств при увеличении содержания углеводородов с большим количеством атомов углерода в цепях. Приведенные данные свидетельствуют, что структура углеводородов определяет не только абсолютное значение вязкости их, но также и характер температурной зависимости вязкости. Эта характеристика имеет большое значение при применении масел в трансформаторах, устройствах для переключения под нагрузкой, а также в масляных выключателях. Весьма важно, чтобы в условиях низких температур вязкость трансформаторного масла была как можно меньше; иными словами, кривая, характеризующая температурную зависимость вязкости масла, должна быть достаточно пологой. В противном случае при высокой вязкости масла в охлажденном трансформаторе будет затруднен отвод теплоты от его обмоток в начальный период после включения, что приведет к их перегреву. В переключающих устройствах трансформаторов и масляных выключателях увеличение вязкости масла создает препятствие для перемещения подвижных частей аппаратуры, что влечет за собой нарушение нормальной работы. В связи с этим в некоторых стандартах на трансформаторное масло нормируется вязкость при температуре 30 `С. Изменение вязкости трансформаторного масла в зависимости от температуры хорошо описывается уравнением Вальтера: lg lg(νK + 0,6) = p + m lgТ, где νK кинетическая вязкость, мм2/с (сСт); Т температура, К; р и m постоянные коэффициенты. На основании этой формулы построена специальная номограмма, с помощью которой, зная вязкость масла при двух определенных температурах, можно приближенно установить вязкость его при любой заданной температуре. В области высоких значений вязкости (т. е. при низких отрицательных температурах) номограммой можно пользоваться лишь до тех пор, пока масло остается ньютоновской жидкостью и не имеет места аномалия вязкости. При температуре ниже 20 `С иногда наблюдаются отклонения значений вязкости от прямой на номограмме. Для большинства трансформаторных масел предел пользования номограммой соответствует вязкости примерно 1000 1500 мм2/с (сСт). В некоторых случаях используют так называемую шкалу Ф. При построении этой шкалы на ось абсцисс наносят температуру в равномерном масштабе. На ось ординат наносят шкалу вязкости таким образом, чтобы для данного трансформаторного масла, принятого за эталон, температурная зависимость вязкости характеризовалась прямой линией. Тогда для других трансформаторных масел зависимость вязкости от температуры также будет изображаться прямой линией. Это позволяет производить интерполяцию и экстраполяцию значений вязкости любого трансформаторного масла по двум опытным точкам (рисунок 6).
Теплоемкость и теплопроводность трансформаторных масел зависят от температуры и связаны с плотностью масла. На рисунках 2 и 3 приведены соответствующие соотношения. Рисунок 2 - Коэффициент теплопроводности трансформаторных масел различной плотности в зависимости от температуры ρ415 = ρ420 + 0,0006 (20 15) Рисунок 3 - Удельная теплоемкость трансформаторных масел различной плотности в зависимости от температуры Для определения коэффициента теплопроводности трансформаторных масел в интервале температур от 0 до 120 `С можно пользоваться номограммами; в необходимых случаях этот параметр определяют экспериментально. Следует отметить, что коэффициент теплопроводности пропитанной маслом бумажной изоляции (0,2 Вт/(мgК)) в 3 4 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности масла, и в 2000 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности меди. В связи с этим кривая распределения температур внутри обмотки трансформатора имеет ступенчатый вид. Зависимость коэффициента теплоотдачи от вязкости жидкости приведена на рисунке 4. Таким образом, уменьшение вязкости способствует лучшему отводу теплоты. В связи с этим в мировой практике наметилась тенденция в сторону снижения вязкости товарных трансформаторных масел по крайней мере до 20 мм2/с (сСт) при температуре 20`С при условии сохранения принятого значения температуры вспышки или даже некоторого снижения ее. Это достигается путем сужения температурных пределов кипения масляной фракции, а также подбора сырья. 1 1,2 м/с; 2 0,3 м/с Рисунок 4 - Практические коэффициенты теплоотдачи теплообменных аппаратов в зависимости от скорости потока и вязкости теплоносителя
Теплоемкость и теплопроводность
Во время работы трансформатора в его магнитопроводе и обмотках имеют место потери электрической энергии, в результате которых трансформатор нагревается. При испытаниях могут быть измерены только средние значения температур обмотки; они ниже, чем температура наиболее нагретой точки обмотки, которая фактически определяет срок службы бумажной изоляции провода и должна приниматься в расчет при оценке продолжительности жизни изоляции. Температурный градиент между маслом и окружающим воздухом устанавливается опытным путем. Можно рассчитать среднюю разность между температурой обмотки и температурой воздуха. Средний температурный градиент между поверхностью бака трансформатора и окружающим воздухом зависит от электрических потерь в обмотке и магнитопроводе. При установившемся режиме и естественном охлаждении трансформатора температура масла в каждой горизонтальной плоскости имеет неизменное значение (рисунок 1). При этом следует заметить, что только в граничных слоях масла (толщиной около 3 мм), непосредственно омывающих поверхность катушек и бака, происходят колебания температуры. Для того чтобы обеспечить достаточную продолжительность жизни изоляции трансформатора, важно быстрее снижать температуру, т. е. более интенсивно отводить теплоту от нагретого провода. Рисунок 1 - Температура масла по высоте бака трансформатора
Теплопередача в трансформаторах и вязкостные свойства масел
Теплопередача в трансформаторах и вязкостные свойства масел
Теплопередача в трансформаторах и вязкостные свойства масел
Комментариев нет:
Отправить комментарий