陳榮 閆新 嚴(yán)瑋 張弛 劉巍 楊昆

（1國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384 2華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430074）

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象數(shù)值模擬研究

陳榮1閆新2嚴(yán)瑋1張弛1劉巍2楊昆2

（1國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津 300384 2華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430074）

對(duì)開(kāi)關(guān)柜中的凝露現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，建立了開(kāi)關(guān)柜中濕空氣凝露現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，分析了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)濕空氣初始相對(duì)濕度、外界環(huán)境溫度、開(kāi)關(guān)柜壁面與外界環(huán)境間的對(duì)流換熱系數(shù)、冷凝壁面的位置等因素對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明：開(kāi)關(guān)柜的初始空氣相對(duì)濕度越大、環(huán)境溫度越低、壁面與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)越大，則冷凝速率越大。在本文模擬的情況中，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜頂部與左壁面熱邊界條件相同時(shí)，在開(kāi)關(guān)柜頂部更容易產(chǎn)生凝露。

開(kāi)關(guān)柜；凝露；濕空氣；數(shù)值模擬

在我國(guó)，開(kāi)關(guān)柜是一種應(yīng)用廣泛的電力設(shè)備，應(yīng)用于城市供電、配電系統(tǒng)中。但由于其工作環(huán)境特殊，柜內(nèi)容易產(chǎn)生凝露，凝露的產(chǎn)生對(duì)開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行有很大危害。文獻(xiàn)[1-3]指出柜內(nèi)凝露的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部絕緣性能下降，各類絕緣缺陷會(huì)逐漸發(fā)展為擊穿，釀成事故。文獻(xiàn)[4]指出開(kāi)關(guān)柜等內(nèi)部設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在潮濕的環(huán)境中運(yùn)行，極易造成機(jī)構(gòu)部件特別是鐵質(zhì)部件的銹蝕，而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)無(wú)法操作，釀成事故。

本文將開(kāi)關(guān)柜簡(jiǎn)化為閉口腔，研究不同的濕空氣相對(duì)濕度及不同邊界條件下，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)濕空氣的凝露現(xiàn)象，對(duì)開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)凝露的防治具有一定參考意義。

1 物理模型

圖1 開(kāi)關(guān)柜計(jì)算模型

圖1給出了本文的開(kāi)關(guān)柜計(jì)算模型，為二維閉口腔，其高寬比為2:3，腔內(nèi)部為濕空氣。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 模型的假設(shè)

本文建立的數(shù)學(xué)模型中,采用了如下幾點(diǎn)假設(shè)。

2.1.1 忽略冷凝水的熱阻和冷凝水對(duì)流動(dòng)的影響；

2.1.2 凝露現(xiàn)象在壁面發(fā)生，并且僅當(dāng)壁面溫度低于濕空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)產(chǎn)生凝露；

2.1.3 固體壁面上采用無(wú)滑移邊界條件。

2.2 邊界條件及數(shù)值計(jì)算方法

進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文主要研究了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)初始濕空氣濃度、外界環(huán)境溫度及對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)柜中凝露現(xiàn)象的影響。

3.1 濕空氣初始相對(duì)濕度的影響

開(kāi)關(guān)柜左右壁面采用定璧溫邊界條件，Tleft=285K，TRight=312K，上下壁面為絕熱。圖2給出了濕空氣初始溫度為300K，初始相對(duì)濕度為90%，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為10000s時(shí)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部濕空氣的溫度分布圖。

從圖2可以看出，由于左右壁面溫差，在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生了自然對(duì)流。左側(cè)壁面溫度較低，凝露發(fā)生在左壁面處，圖3給出了采用相同邊界條件下，初始相對(duì)濕度分別為90%，70%，50%對(duì)應(yīng)的水蒸氣冷凝速率的變化情況。

從圖3中可以看出，隨著水蒸氣的逐漸冷凝，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)水蒸氣的含量減小，冷凝速率逐漸減小，當(dāng)冷凝壁面的溫度高于濕空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，冷凝速率減小到零。初始相對(duì)濕度越大，冷凝速率越大，冷凝完成所需時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)闈窨諝庀鄬?duì)濕度越大，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越高，在相同壁面溫度條件下，冷凝速率越快，水蒸氣質(zhì)量減少越快，但由于水蒸氣含量較大，冷凝完成所需時(shí)間也越長(zhǎng)。

圖2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部濕空氣溫度分布

圖3 不同初始相對(duì)濕度下冷凝速率變化

3.2 環(huán)境溫度的影響

實(shí)際應(yīng)用中，柜體壁面溫度受外界環(huán)境溫度影響較大，為此，將開(kāi)關(guān)柜左壁面取為第三類邊界條件，假定左壁面與外界環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)，環(huán)境溫度隨時(shí)間變化。

圖4給出了初始相對(duì)濕度分別為90%，70%時(shí)的冷凝速率變化情況，從圖中可以看出冷凝速率隨時(shí)間先增加，后逐漸降低，這主要是因?yàn)槟M剛開(kāi)始時(shí)溫度較高，凝露不易產(chǎn)生，隨著時(shí)間的增加，外界環(huán)境溫度降低，壁面溫度也隨之降低，冷凝速率逐漸增大，冷凝過(guò)程持續(xù)一段時(shí)間后，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)水蒸氣含量下降，水蒸氣所占分壓降低，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度降低，冷凝逐漸難以發(fā)生，速率逐漸降低至零。

圖4 冷凝速率變化

3.3 壁面與環(huán)境間對(duì)流換熱系數(shù)的影響

圖5 不同對(duì)流換熱系數(shù)下壁面溫度變化

壁面與環(huán)境間對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)壁面的溫度變化影響很大，從而影響開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部水蒸氣冷凝速率。為了更容易分析凝露的影響，假設(shè)環(huán)境溫度較低，濕空氣初始相對(duì)濕度為90%，改變壁面與環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行模擬。

圖6 水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

圖5給出了流換熱系數(shù)分別為10、15、20w/m2.K時(shí)的左壁面溫度變化，圖6給出了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)水蒸氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。從圖5、6中可以看出，對(duì)流換熱系數(shù)越大，水蒸氣質(zhì)量減少越快，這是因?yàn)閷?duì)流換熱系數(shù)越大，左壁面溫度越接近于環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，冷凝越容易發(fā)生。但對(duì)流換熱系數(shù)越大，水蒸氣含量減少越快，相應(yīng)的露點(diǎn)溫度降低越快，壁面發(fā)生冷凝條件逐漸變苛刻，所以在經(jīng)歷了一定時(shí)間后，在低對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)下降得更為緩慢。

3.4 頂部及左壁面同時(shí)凝露分析

實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)柜頂部通常也會(huì)發(fā)生凝露，將上壁面邊界條件改為與左壁面相同，均為第三類邊界條件，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空氣初始相對(duì)濕度為90%，研究此時(shí)的凝露情況。圖7給出了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度場(chǎng)，圖8給出了上壁面和左壁面冷凝速率的變化情況。

圖7 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部流體溫度分布

圖8 左壁面、上壁面冷凝速率變化

從圖8中可以看出，當(dāng)左壁面、上壁面采用相同的熱邊界條件時(shí)，上壁面更容易產(chǎn)生冷凝，冷凝速率更大。分析柜體內(nèi)部溫度分布圖可以看出，由于右壁面為加熱壁面，右邊的濕空氣先被加熱，流經(jīng)頂部后再沿左壁面流動(dòng)。因此，隨著濕空氣的流動(dòng)，首先在上壁面處產(chǎn)生凝露，使得水蒸氣含量下降；當(dāng)濕空氣流動(dòng)到左壁面時(shí)，貼近壁面的濕空氣中水蒸氣含量已經(jīng)很低，相應(yīng)的露點(diǎn)溫度也較低，這就使得左壁面不易產(chǎn)生凝露，左壁面處的冷凝速率要低于上壁面。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同工況下，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)濕空氣的冷凝進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

4.1 開(kāi)關(guān)柜的初始空氣相對(duì)濕度越大，壁面越容易發(fā)生冷凝情況，冷凝速率也越大，對(duì)開(kāi)關(guān)柜而言，防止凝露應(yīng)盡量減少內(nèi)部空氣濕度。

4.2 環(huán)境溫度越低、開(kāi)關(guān)柜壁面與環(huán)境之間的對(duì)流換熱系數(shù)越大，開(kāi)關(guān)柜中越容易產(chǎn)生凝露，凝露的速率也越大。因此可以盡量減小開(kāi)關(guān)柜壁面與環(huán)境之間的換熱以防止開(kāi)關(guān)柜內(nèi)凝露的產(chǎn)生。

4.3 開(kāi)關(guān)柜中濕空氣自然對(duì)流的情況與開(kāi)關(guān)柜壁面的熱邊界條件共同決定了開(kāi)關(guān)柜中易產(chǎn)生凝露的部位。對(duì)本文模擬的情況，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜頂部和左壁面熱邊界條件相同時(shí)，在開(kāi)關(guān)柜頂部更容易產(chǎn)生凝露。

[1]周加斌,陳玉峰,朱文兵.濕度對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣影響的試驗(yàn)研究[A].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì).2013年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì),2013:6.

[2]李英奇,王戰(zhàn)紅,梅超美,陳琦,唐煒,郗亮.一起開(kāi)關(guān)柜凝露閃絡(luò)事故分析與預(yù)防措施[J].陜西電力,2009,04:51-53.

[3]羅宣國(guó),夏麗建.電氣設(shè)備的防凝露技術(shù)研究[J].可再生能源, 2014,04:489-492.

[4]麥琳.環(huán)網(wǎng)柜防凝露方法探討[J].科技風(fēng),2013(22):23-29.