– TMD
EXAMENSARBETE
2004:M032
Magnus Svedjeland
CFD-simulering av luft- och
temperaturflöde i ett apparatskåp.
CFD-simulering av luft- och temperaturflöde i ett apparatskåp.
Magnus Svedjeland
Sammanfattning
Med hjälp av flödes-simuleringar kan olika konstruktioner och processer optimeras.
Med anledning av att beräkningskapaciteten i datorerna idag är så pass förbättrad så är databaserad flödes-simulering (CFD) allt mer förekommande vid konstruktion och utveckling inom industrin.
Kraftelektronik AB tillverkar industriell utrustning för elektrisk energiomvandling. Vid energiomvandling sker en värmeutveckling i apparaternas olika komponenter till följd av effektförluster.
Temperaturen i apparatskåpet är en faktor som visar sig vara av stor betydelse för en del elektriska komponenters funktion och livslängd. Strömriktarens prestanda är direkt kopplad till dess drifttemperatur. Med en fördjupad vetskap om hur luftflödet fördelar värme till de olika komponenterna så möjliggörs konstruktionsförbättringar vid utvecklingsskedet samt optimeringar av existerande produkter.
Målet med detta examensarbete är att simulera luft- och värmeflöde i en bestämd strömriktare under drift. Arbetet har innefattats av experimentella prover, CAD- modellering och simuleringar.
Det simulerade resultat som visas i rapporten överensstämmer vä l med de experimentellt uppmätta värdena på de flesta ställen inuti skåpet.
Utgivare: Högskolan Trollhättan/Uddevalla, Institutionen för teknik, matematik och datavetenskap, Box 957, 461 29 Trollhättan
Tel: 0520-47 50 00 Fax: 0520-47 50 99 Web: www.htu.se Examinator: Docent Per Nylén
Handledare: Fil. dr. David Lindström
Huvudämne: Magisterexamina i maskinteknik Språk: Svenska
Nivå: Fördjupningsnivå 2 Poäng: 20
CFD-simulation of air and temperature transport in a component cabinet.
Magnus Svedjeland
Summary
Thanks to improved computer performances computational flow dynamics (CFD) can be more frequent ly used to simulate product process and development. This allows optimizing them at a lower cost than doing only experiments.
The company Kraftelektronik AB is involved in the present project work. It manufactures industrial equipment s used for electrical transformation of energy. Due to power dissipation during this transformation, heat is generated and can damage the equipments.
This study is more specifically focussed on the cooling of a cabinet containing electronic equipments. The temperature in the cabinet is of great importance for the functioning and lifetime of some of the electrical parts. The operating temperature has direct effects on the performance of the static converter. A deeper knowledge of the airflow distribution and heat transfer to the components would allow to improve the design earlier in the developmental process and to optimize the given product.
The aim of this degree project is to simulate air and heat flow in a given static converter under operating condition. The work includes experimental tests, CAD- modelling and simulations.
The results obtained numerically show a good agreement with most of the values measured experimentally.
Publisher: University of Trollhättan/Uddevalla, Department of Technology, Mathematics and Computer Science, Box 957, SE-461 29 Trollhättan, SWEDEN
Förord
.
Författaren till denna rapport vill med detta förord nämna några delar som spelar roll för rapporten och dess läsare.
Området inom vilket arbetet utförs är känt för författaren sedan tidigare tack vare tidigare studier inom strömningsmekanik, turbulensmodellering och CFD-simuleringar.
Rapporten avser ej att utreda teorin bakom de fysikaliska lagarna inom strömningsmekaniken. I beräkningsmetoderna, som avser CFD-beräkningar, så finns många komplexa ekvationer där empirisk data ofta ingår. För djupare förståelse om de bakomliggande matematiska beräkningsmetoderna hänvisas till givna källhänvisningar.
Författaren vill även i detta förord, sedvanligt, tacka handledaren David Lindström, HTU. Ett extra tack framföres också till de berörda personer på forskargruppen som möjliggjort anpassade studier på magisternivå, i vilket denna rapport avser. Ett speciellt tack framföres till Per Nylén, HTU, (som ansvarig på forskargruppen) som erbjudit mig dessa magisterstudier samt också inte minst Isabelle Choquet, HTU, som visat mycket intresse och engagemang både i tidigare handledning och rådgivning. Vill även tacka familj för stort hänsynstagande under arbetets gång.
Dessutom önskas att läsningen är nöjsam!
Innehållsförteckning
Sammanfattning ...i
Summary...ii
Förord ...iii
Nomenklatur ...vi
1 Inledning ...1
1.1 Företaget...1
1.2 Bakgrund...2
1.3 Syfte...2
1.4 Mål ...2
1.5 Tillvägagångssätt...2
2 Avgränsningar ...3
3 Apparatskåpets funktion ...3
4 Experimentell del...4
4.1 Temperaturmätningar...4
4.1.1 Omgivningstemperatur ... 5
4.1.2 Temperatur vid diodventilens ovan- och undersida... 5
4.1.3 Temperatur av utgåendeluft från fläkt... 6
4.1.4 Transformatorkärna ... 6
4.1.5 Intervallmätt temperatur ... 7
4.1.6 Logger... 8
4.1.7 Transformator och drossel... 12
4.1.8 Kylfläns ... 13
4.1.9 Diodventil... 14
4.1.10 Samlingsskena... 16
4.1.11 Kopplingsskena... 16
4.1.12 Shunten... 17
4.2 Mätningar luftflödeshastigheter...17
4.2.1 Hastighetsfält hos fläkten. ... 17
4.2.2 Övriga mätpunkter... 23
5 Geometrisk formbestämning...23
5.1 CAD, UniGraphics...24
5.1.1 Ingående detaljer, UniGraphics ... 24
5.1.2 Sammanställningar, UniGraphics ... 25
5.1.3 Inverterad volym... 25
6 Elementuppdelning (Mesh), Gambit...28
6.1 Geometriska ändringar och förenklingar i GAMBIT ...29
6.2 Uppdelning av volym ...30
6.3 Generisk definition av ytor...30
7 CFD-beräkning, Fluent ...30
7.1 Generell beräkningsstrategi av standardflöden i Fluent ...31
7.2 Randvillkor på ytor ...32
8.2 Simulering av temperatur ...49
8.2.1 Analys av resultat vid temperatursimulering. ... 49
8.2.2 Resulterande temperaturfält ... 50
8.3 Förslag till förbättring av skåpets geometri. ...57
9 Slutsatser ...57
9.1 Rekommendationer till fortsatt arbete...57 Bilagor
A Parametrar och standardinställningar i FLUENT B Filer som kommer bifogade till företaget.
C Strukturträd
D Förenklingar av modellen i UniGraphics E Temperaturvärden vid intervall- mätning F Lufthastighetsmätning på fläktens undersida.
G Kalibreringsunderlag
H Lufthastighetsmätning på fläktens ovansida.
I Fouriertransformation& numerisk integration, Matlab J Lufthastighetsmätning, övriga mätpunkter
K Volymavstyckning, GAMBIT L Resultat av lufthastighetsmätningar
Nomenklatur
Begrepp och ordförklaring
Adibiatisk Då ingen termisk växelverkan äger rum.
Algoritmer Beräkningsmetod, mönster för problem-
lösning.
Assembly Sammanställning.
Assembly navigator Sammanställningsnavigatör.
Beräkningsnät Består av ytelement eller volymelement.
Elementuppdelning Avser här kanter, ytor och volymer.
Då kanter ämnas: En operation för att applicera avgränsingspunkter för volymelement.
Då ytor ämnas: En operation för att applicera två-dimensionellt beräkningnät på en yta.
Då volymer ämnas: En operation för att applicera volymelement till en volym.
Extrudering Att skapa ett 3D-objekt av ett 2D-objekt
genom att lägga till en djupaxel baserad på 2D-objektets form.
Feature I detta avseende menas formfeatures som
är en geometrisk informationsbärare.
Består av grundläggande formelement så som hål, urtag eller operationer som tillför material så som en klack. Informationen om dess geometri och placering sparas sedan i ett historieträd.
Historieträd En graffisk beskrivning av
ordningsföljden av modellens
Hollow En operation som urholkar en solid.
Kluster Flera datorer ihopkopplade fysiskt eller
logiskt för att dela på ett beräkningsarbete.
Lager Uppdelad informationen i lager som ges
vissa grundegenskaper som färg och linjetyp. Genom att rita objekt i olika lager skiljer man på olika informationsmängder.
Mateing Geometrisk passningsvillkor som ger
geometrisk och måttmässiga förhållande mellan olika detaljers placering och/eller förhållande mellan enskilda detaljer och det gällande koordinatsystem.
Mirror En geometri kan dupliceras genom att
speglas igenom en bestämd punkt eller plan/yta.
Neutralfilformat Ett standardiserat filformat för lagring av produktbeskrivande data.
Parametrisk modellering Användaren kan, på en befintlig 3Dmodell, ändra dimensioner, positioner och antalet förekoms ter, hos en feature (del av detalj), detalj (part) eller sammanställning (assembly). Dimensioner och antal förekomster kan kontrolleras genom att ändra de parametriska värdena.
Dessa värden kan också vara associativt kopplade med andra entiteter genom att utrycka värdet som en funktion av den associativa entiteten.
Part Detaljritning
Postprocessering Grafisk presentation av de primära
resultaten.
Preprocessor En enhet eller rutin som gör operationer på inmatningen innan de går vidare till resterande bearbetning.
Primitiv En grafisk form uppbyggd av ett antal
polygoner t.ex. sfär, cirkelbåge och kub.
Sketch Vektorbaserade ritapplikation i UniGraphics som internt lagrar bilder som en matematisk beskrivning vilket gör det lätt att kopiera objekt, skala om dem och liknande.
Subtract / subtrahera En ny kropp skapas genom att den gemensamma volymen tas bort.
Förutsätter att fler geometrier skär varandra.
Trimmas Avser operation som nämns vid ”
Trimplan”
Trimplan / -yta En plan/yta som skär en bestämd geometri i avseende att dela denna geometri i skärningslinjerna/-punkterna.
Unite En ny kropp skapas genom att en
sammanslagning av flera volymer.
Förkortningar
CAD Computer Aided Design
CFD Computational Fluid Dynamics
UG UniGrapics
FTP File Transfer Protocol. (Program och
protokoll för att överföra och kopiera filer över nätverk eller Internet)
IGES Initial Graphics Exchange Specification.
(Det vanligaste neutralfilformat för överföring av CAD-data).
NTC (Elektrokemisk temperaturgivare).
SP Sveriges Provnings- och
Forskningsinstitut.
1 Inledning
Avsikten med detta examensarbete är att göra en databaserad flödes-simulering (CFD) av luft- och värmeflödet i ett apparatskåp innehållande en likriktare avsedd för elektrokemisk ytbehandling. Temperaturen i skåpet är en faktor som är av stor betydelse för en del elektriska komponenters funktion och livslängd. Strömriktares prestanda är direkt kopplad till dess drifttemperatur. Med en fördjupad vetskap om hur luftflödet fördelar värme till de olika komponenterna så möjliggörs konstruktionsförbättringar vid utvecklingsskedet samt optimeringar av existerande produkter. Beräkningen avser att simulera luft- och värmeflöde i likriktaren under drift, dvs. utan driftstopp. Förutom arbetet med simuleringsberäkningarna så har arbetet förutsatt anskaffning av;
geometriska mått och experimentella uppmätningar (Kap. 4) av temperatur och luftflöden. De experimentella mätvärdena har sedan använts till gränsvillkoren och som underlag för utvärdering av resultatet. Arbetet har därtill inneburit CAD-modellering (Kap. 5) och nätgenerering (mesh) (Kap. 8.1).
1.1 Företaget
Kraftelektronik har funnits sedan 1935 och är idag ett högt specialiserat, kunskapsorienterat företag med stark internationell inriktning. Högklassiga produkter och en global försäljnings- och serviceorganisation, har banat väg för ett fruktbart samarbete med branschledande företag över hela världen.
Kraftelektronik är en av världens ledande tillverkare av utrustning för elektrisk energiomvandling, inom valda områden. Dessa är:
-Strömförsörjning för elektrofilter (Elfilter)
-Strömriktare för stationära strömförsörjningssystem (Likströmssystem) -Hjälpströmriktare för traktionärt bruk (Traction)
-Likriktare för elektrokemisk ytbehandling (Ytbehandling)
1.2 Bakgrund
En förutsättning för Kraftelektroniks framgång och lönsamhet är att de kan producera och leverera moderna strömförsörjningssystem som fungerar oklanderligt. Genom att eftersträva en uppdaterad, mycket hög teknisk kunskapsnivå inom företaget arbetar Kraftelektronik med ständiga förbättringar för att tillmötesgå kundernas ständigt ökande krav på högre prestanda och högre tillförlitlighet. En del i detta arbete är mycket resurskrävande och kräver avancerade beräkningar av vetenskaplig karaktär. En sådan problemställning är att det visat sig att omgivningstemperaturen är en faktor som är av betydelse för en del elektriska komponenters funktion och att en strömriktares prestanda är direkt kopplad till dess drifttemperatur. Med en fördjupad vetskap om hur luftflödet transporterar varm luft till de olika komponenterna så möjliggörs konstruktionsförbättringar vid utvecklingsskedet samt optimeringar av existerande produkter.
1.3 Syfte
Syftet var att utföra en databaserad simulering för att uppskatta luft- och temperaturflöde i ett bestämt apparatskåp. I detta syfte användes CFD "Computational Fluid Dynamics" som är ett databaserat redskap för att uppskatta dessa kvantiteter.
Resultatet avses att användas som vägledning och underlag för ev. framtida beräkningar samt som beslutsunderlag vid nykonstruktion och eventuella konstruktionsändringar av befintliga produkter. Datafiler (Bilaga B) så som exempelvis CAD- fil har överlämnats till företaget.
1.4 Mål
Målet var att hitta en beräkningsmodell för att ge en tydlig antydan av hur värme transporteras i ett givet apparatskåp då det är i drift samt att ge förbättringsförslag för framtida beräkningar.
1.5 Tillvägagångssätt
Arbetet kan sammanfattas i följande steg:
1. Experimentellt utreda fysiska gränsvillkoren (Kap. 4).
2. Fastställa geometriska mått (Kap. 5).
3. Bereda en datorstöd modell för avsedd geometri (Kap. 5).
4. Skapa ett så kallat beräknings nät (mesh) (Kap. 6).
6. Exporter CAD-geometrin till beräkningsprogrammet. Ange gräns villkor och fysikaliska data. (Kap. 8.1)
7. Beräkningslösning på dator (Kap8.2)
8. Grafiskt presentera de primära resultaten (Kap. 9.1)
9. Utvärdera och verifiera resultat mot experimentella mätningar. (Kap. 9.2) 10. Identifiera förbättringsåtgärder för ev. kommande CFD-simuleringar (Kap. 10)
2 Avgränsningar
Noggrannheten i resultatet av CFD-analysen i apparatskåp är begränsad av beräkningstid. Således är också upplösningen, dvs. antalet volymelement (celler) begränsat och därigenom också detaljrikedomen i CAD-modellen. Resultatet förväntades således inte vara fullständigt korrekt. Resultatet av CFD-analysen är också avhängt noggrannheten av de mätdata som uppmätts med den utrustning som tilldelats.
Värmen som genereras och luftflödet som kylfläkten ger upphov till har behövts approximeras. Nivå av förenkling bestäms under arbetets gång. I rapporten används matematiska beräkningsmetoder och olika algoritmer i dataprogram endast som ett redskap och ämnas inte att härledas eller bevisas. Inte heller kommer alla standardinställningar/parametrar i beräkningsprogrammet att redovisas eller bekräftas (Bilaga A).
3 Apparatskåpets funktion
Apparaten (Figur 3-1) matas med trefas växelspänning som sedan transformeras ned och likriktas. Denna apparat används vid galvanisering (elektrokemisk ytbehandling).
Belastningen är 3000 A. och spänningen över belastningen är generellt 10-15 volt.
Under denna process blir många av objektets komponenter varma. Komponenter som i detta avseende är utmärkande är transformatorspolar, kylfläns (avser högspänningstyristorer), shunt, dioder samt de objekten i dess direkta närhet (exempelvis är dioderna monterade på kylplåtar). På apparatskåpets tak har en utsugs fläkt placerats som har för avsikt att transporteras bort värmen.
Figur 3-1 Foto av likriktaren Figur 3-2 På baksida av apparatskåpet är 640 ventilations-hål utstansade.
4 Experimentell del
I det gällande apparatskåp har temperaturer och lufthastighetsfält under drift mätts upp.
Det primära syfte var att erhålla randvillkor för CFD-beräkningarna samt referensvärden för bekräftelse av CFD-beräkningens resultat. Avsikten var dessutom att ge underlag för att möjliggöra framtida CFD-beräkningar samt att åskådliggöra tänkbara förbättringar vid eventuella framtida mätningar. Underlag för ev. framtida projekt var, i detta arbete, dock av underordnad karaktär.
4.1 Temperaturmätningar
Temperaturmätningens händelseförlopp kan sammanfattas enligt:
• Alla temperaturgivare placeras på lämpliga värmeavgivande föremål.
• Vattentillförseln för kylning av det belastningsmotstånd som simulerar en verklig belastning (t.ex. galvaniskt bad) öppnades.
• Skåpet startades och spänningen justerades till 11.37 Volt och strömmen till 3000 Ampere.
• Under de första timmarna reglerades vattentillförseln under några tillfällen för att inte överhetta belastningsmotståndet. Vid ett tillfälle så var det tvunget att
Vid temperaturmätningen har dataloger, digitala temperaturmätare (multimeter + NTC) samt självhäftande, irreversibla temperaturindikatorer använts. Temperaturmätningen pågick i 7 timmar och 30 minuter. Minsta skalan på de självhäftande temperaturindikatorerna var 37 grader. De värmeavgivande komponenter var transformatorn, transformatorbalk, shunten, plåtar i diodventilen, samlingsskena n, kylflänsen samt kopplingsskenorna. Det fanns andra svagt värmeavgivande komponenter, t.ex. drosseln, som vid avläsning inte uppnått undre gränsvärdet på temperaturgivaren (37 grader) och dessa komponenter kommer inte att redovisas här.
Dessutom har in- och utgående lufttemperatur uppmätts.
4.1.1 Omgivningstemperatur
Omgivningen där apparatskåpet och givaren var placerad var mycket öppen och det var mycket högt till tak samt långt till angränsande väggar som avgränsar lufttillförsel.
Omgivningstemperaturen uppmättes med en digitalmultimeter/NTC. Givaren var placerad 3 meter från skåpet och 60 cm från golvnivå. Omgivningstemperaturen avlästes var 15:e minut (kap. 4.1.5). Temperaturen steg några tiondelar efter en lång tids körning. Detta orsakades av att antingen strålningsvärmen från apparatskåpet gjorde sig gällande eller av att det luftvärmesystem som fanns i lokalen (vars utblås var placerad närheten) påverkade.
4.1.2 Temperatur vid diodventilens ovan- och undersida
Temperaturgivare (NTC) placerades ovan och under diodventilen för att mäta temperaturen på luften som kommer in resp. kommer ut ur diodventilen (Figur 4-1).
Uppmäta värden redovisas i kap. 4.1.5.
Figur 4-1 Placering av temperaturgivare
100mm 70mm
4.1.3 Temperatur av utgående luft från fläkt.
Temperaturgivare (NTC) placerades ovan fläkten för att mäta temperaturen på luften som kommer ut från apparatskåpetur diodventilen (Figur 4-2). Uppmäta värden redovisas i kap. 4.1.5.
Figur 4-2 Placering av temperaturgivare
4.1.4 Transformatorkärna
En temperaturgivare (NTC) placerats inuti (transformatorkärnan) den mittersta transformatorspolen (Figur 4-3) och hade som avlästes var 15:e minut (redovisas kap.
4.1.5). Transfo rmatorn har relativt stor massa och därigenom lagras, där, mycket värme.
Denna tröghet förklarar frånvaron av hastiga temperaturvariationer och den långa stabiliseringstid. Vid 25 samplingar ökar temperaturen på tillförd luft vilket förklarar gradienten vid detta tillfälle och temperaturen var fortsättningsviss stabil (Figur 4-4).
40
cm
Fläkt
Tempraturgivare
15
5 7,5
15
Galler
Figur 4-3 Transformatorns faktiska tvärsnittsutseende resp. simplifierat tvärsnitt.
4.1.5 Intervallmätt temperatur
Nedan redovisas den temperaturmätning som skett intervallmässigt (Data återfinns i Kap. 4.1.1 till och med Kap.4.1.4). De samplade värdena framgår i bilaga E.
Figur 4-4 Den absoluta temperaturen som intervallmässigt uppmättes. Spänningen är dessutom här redovisad för att klargöra ev. korrelationer. Den abrupta nedgång kan härledas till det driftavbrott som tidigare nämnts.
Kärna
Distanser Lindning
Simplifierat tvärsnitt Temperaturgivare NTC
Intervallmätt temperatur (absolutbelopp)
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 0 21 22 23 24 2 5 26 2 7 28 2 9 3 0 3 1 3 2 i n t e r v a l l ( 1 5 m i n )
C° Utluft dv C° Inluft dv C° Traffokärna C° Omgivning C° Utluft Volt
Enligt ovan så förefa ller det som att temperaturen inte uppnått ett jämvikttillstånd eftersom temperaturen ökar. Det visar sig dock att temperaturen på den ingående luft också ökar och att vid studier av temperaturskillnaden så framkommer ett jämvikttillstånd. (Figur 4-5).
Figur 4-5 Uppmätt temperatur relaterat omgivningstemp.
4.1.6 Logger
En temperaturlogger, vars givare placerades på en av plåtarna vid diodventilen, samplade varje minut temperaturen (Figur 4-6). Detta var den temperaturmätning som hade den hö gsta upplösningen och återger temperaturvariationerna väl under hela temperaturmätningen. Dess värden analyserades därför särskilt grundligt (Kap. 4.1.6.1).
Temperaturskillnad relaterat till omgivningstemperaturn
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
intervall (15min)
C° Utluft dv C° Inluft dv C° Traffokärna C° Utluft
Figur 4-6 Placering av givaren
Figur 4-7 Utskrift från logger.
Loggerns givare placerades på plåten. På plåtens andra sida var en temperaturklisterlapp placerad som visade 43C°(max temp) efter provet.
4.1.6.1 Analys av mättresultat.
Nedan göres en analys av resultatet.
Innan likriktaren har startat så överensstämmer omgivningstemp- eraturen med övriga
temperaturmätare .
Likriktaren har startats. Givaren är placerad en bit ifrån värmekällan (dioderna). Värmen transporteras i plåten genom diffusion och därigenom erhålls en fördröjning av dess värme- verkan. Under 5 min. så sjunker temperaturen från 20.2 C° till 19.8 C°. Detta beror på att omgivningstemp. i höjd med luftintag är ca:0.4 C°mindre än vid den höjd där givaren sitter.
Detta har verifierats.
Givarens placering
Temperatur- gradient
Likriktaren har stannats. Energi ligger fortfarande lagrad i plåtarna men eftersom fläkten har stannat så transporteras inte värmen bort lika effektivt. Detta leder till en en temperaturhöjning från 32.2 C° till 35.3 C° Detta fenomen gäller även de självhäftande, irreversibla temperaturindikatorerna och det kommer tagas hänsyn till detta vid tolkning av dess värden.
Likriktaren
stängdes av pga.
överhettning i belastnings- motstånd.
Loggern registrerade en max temp på 35.3 C°. Det förväntades att maxtemperaturen skulle överensstämma med den temperaturindikatorer som var uppklistrad på andra sidan av den 1.5mm tjocka aluminiumfläns som visade på 43C°. Skalan är dock med 3 gradersintervall, vilket leder till att maxtemperaturen har varit ca: 40-46 C°. Denna divergens kommer att utredas nedan.
Enligt leverantör av loggern så har den en osäkerhet på +/-0.6. Förutsatt att loggern är intakt så kan ej detta fel ensamt orsaka denna divergens. Det finns ett antal tänkbara orsaker:
1. Loggerns givare tejpades fast på aluminiumplåten. En orsak till de dirigerande värdena kan ha varit att givaren under gång har avskiljt sig från plåten p.g.a. vibrationer och den kraftiga luftströmning som existerar under driften.
Detta skulle förklara den kulmination som finns på kurvan i början. Detta är dock ej en trolig orsak p.g.a. att då givaren skulle avlägsnas efter provet så visade det sig att den var mycket väl ditsatt och inget tydde på att den hade lossnat.
2. På flänsarna finns ett flertal dioder. Dessa dioder utgör en halvledarströmmriktare. Det sker en växelvis tillkoppling och frånkoppling mellan likriktarens ingående dioder [1]. Denna företeelse sker på någon. millisekund vilket leder till en stor självinducerad spänning i dioderna med höga strömtoppar och branta flanker till följd. Dessa strömtoppar genererar luftbundna högfrekventa radiostörningar, dvs. RF-störningar i frekvensbandet 30MHz-1GHz [2]. Leverantören av loggern menar att
” Mätosäkerheten kan öka om loggern utsätts för RF-störningar enligt SS-EN 50 082-1 & 2”, vilket under rådande omständigheter kan vara en bidragande orsak till mä tfel.
Fläns Givare (NTC)
Luftflöde (ca: 3 m/s) Temperaturgradient
Figur 4-9 Påvisar hur givaren ligger dikt an plåten.
ca:10mm ca:1mm
3. Loggern mäter resistansförändringar i ett NTC- motsånd och räknar om detta till en temperatur som lagras på ett minne i loggern. Loggerns givare (NTC- motstånd) är omgiven av en krympslang som är relativt tjockt. Omgivande luft har inte samma temperatur som mätobjektet och kring givaren föreligger ett påtvingat luftflöde.
Anläggningsytan mot mätobjektet är liten relativt anläggningsytan mot omgivningen (Figur 4-9, 4-10). Följaktligen så föreligger här en temperaturgradient vilket är uppkomsten till denna divergens.
För att få ett mer exakt värde på en yt temperatur skulle givaren (NTC-motståndet) förslagsvis varit i direkt kontakt med mätobjektet och givaren skulle ha skyddats mot avkylning t.ex. genom någon. formbart material med ytterst god värmeledningsförmåga vara placerad mellan mätobjektet och givaren, tex. värmeledande pasta.
Oavsett orsak kan ovanstående leda till bevis att felet är vid samma betingelser av systematisk karaktär, dvs. felet är av konstant storlek och tecken. Med stor sannolikhet föreligger felet vara i loggern och inte i de självhäftande, irreversibla temperaturindikatorerna. Loggerns resultat kan trots detta användas eftersom mätpunkternas inbördes konfiguration närmelsevis stämmer och av resultatet att döma så kan det klargöras att den högsta avlästa temperaturen vid diodventilen är ca: 3.1 C°
högre än drifttemperaturen.
4.1.7 Transformator och drossel.
Vid transformatorn har det placerats självhäftande temperatursensorer (Figur 4-11). Då apparaten stängdes av efter avslutade mätningar så stängdes också fläkten av. Det fanns dock fortfarande värmeenergi lagrad i transformatorn som påverkade de fastklistrade temperaturgivarna. En liknade iakttagelse gjordes vid diodventilen och utredes i föregående kapitel. Om detta fenomen ska studeras framöver så rekommenderas en annan temperaturmätningsmetod, då upplösningen med vald metod inte räcker till för att verifiera sådana små ändringar.
Figur 4-11 Förenklad modell av transformator och drossel.
Tabell 4-1 Mätresultat av självhäftande temperatursensorer.
4.1.8 Kylfläns
Självhäftande temperatur indikatorer placerades på kylflänsen (Figur 4-12) 80. 40C°
81. oläsbart (under 37 C°) 82. 40 C°
* mer än 37C°
mindre än 40 C ° 74. 40C°
75. 40 C°
76. 40 C°*
77. 40 C°*
78. 40 C°
79. 40 C°
68. 40C°
69. 40 C°
70. 37 C°
71. 37 C°
72. 40 C°
73. 40 C°
68 8
82
70 8
72 74
76
78
69 8
71
73 75
77 80 79
8 1
200 mm
50 mm
120 mm
Figur 4-12 Bottenvy av kylsfläns.
Bottenvy
Figur 4-13 Placering av t emperaturgivare vid kylfläns.. Tabell 4-2 Mätresultat av självhäftande temperatursensorer.
4.1.9 Diodventil
Vid diodventilen placerades 65 självhäftande temperaturindikatorer (Figur 4-14).
Loggerns mättresultat (kapitel 4.1.6.1) framkom att det är rimligt att anta att drifttemperaturen på flänsarna var 3.1 C° mindre än vad de självhäftande temperaturindikatorerna visade. De värden som redovisas i tabell 4-3 är de avlästa värdena.
83. 40 C°
84. 40 C°
85. 40 C°*
86. 40 C°*
* mer än 37C° mindre än 40 C°
83
85
86 84
Plåt
Figur 4-14 Placering av irreversibla självhäftande temperaturgivare vid diodventilen .
1 2 3 4 5 6 7 8 9
28
10 11 12 13 14 15 16 17 18
56 57 58 59 60 62 63 64 65
47 48 49 50 51 52 53 54 55
38 39 40 41 42 43 44 45 46
19 20 21 22 23 24 25 26 27
29 30 31 32 33 34 35 36 37
77.4
77.4 90.3
77.4
77.4
64.5
50mm 25mm
Uppifrån, yttre höger hörn mm
64.5
1. 54C°
2. 60C°
3. 54C°
4. 71C°
5. 71C°
6. 54C°
7. 54C°
8. 54C°
9. 54C°
10. 65C°
11. 65C°
12. 54C°
13. 65C°
14. 71C°
15. 65C°
16. 54C°
17. 49C°
18. 54C°
19. 43C°
20. 40C°
21. 46C°
22. 43C°
23. 54C°
24. 49C°
25. 54C°
26. 46C°
27. 49C°
28. 49C°
29. 54C°
30. 71C°
31. 60C°
32. 60C°
33. 60C°
34. 60C°
35. 60C°
36. 65C°
37. 71C°
38. 65C°
39. 60C°
40. 60C°
41. 54C°
42. 54C°
43. 54C°
44. 49C°
45. 71C°
46. 71C°
47. 65C°
48. 71C°
49. 65C°
50. 65C°
51. 71C°
52. 60C°
53. 60C°
54. 71C°
55. 65C°
56. 65C°
57. 60C°
58. 54C°
59. 54C°
60. 40C°
61. 43C°
62. 40C°
63. 54C°
64. 65C°
65. 65C°
4.1.10 Samlingsskena
Vid samlingsskenan placerades två självhäftande temperatursensorer (Figur 4-15). Då apparaten stängdes av efter avslutade mätningar så stängdes också fläkten av. Det fanns dock fortfarande värmeenergi lagrad i denna skena som påverkade de fastklistrade temperaturgivarna. Storleken på denna inverkan behandlas ej i denna rapport. Detta fenomen har studerats vid analys av loggerns mätresultat (kapitel 4.1.6.1).
4.1.11 Kopplingsskena
Vid kopplingsskenan placerades två självhäftande temperatursensorer (Figur 4-16).
67 66
50
50 100
508
Figur 4-15 Placering av temperatursensorer.
66. 40C°
67. 40C°
Tabell 4-3 Mätresultat
690 6 75
8 150 75
68. 49C°
69. 65C°
4.1.12 Shunten
Vid shuntens ovansida placerades en självhäftande temperatursensor (Figur 4-17). Denna visade efter provningen 71°C.
Figur 4-17 Shunt
4.2 Mätningar luftflödeshastigheter
För mätning av luftflödeshastighet användes en lufthastighetsmätare som registrerar lufthastigheten genom mätning av rotationsrörelse i en liten propeller (Figur 4-18).
Oftast uppmättes den vertikala hastighetskomposanten. Vid mätning utanför skåpet upprätthölls givarens placering manuellt. Vid mätningar inuti apparatskåpet upprätthölls givarens placering med hjälp av en gripklo som var försedd med en magnetiskt fot.
Givaren riktades manuellt och dess riktning uppskattades. Givet var att på detta sätt uppmättes i huvudsak den lufthastighetsriktning som var axiell med propellerns rotationsaxel (Figur 4-19). Det visade sig vara av mycket stor betydelse om givaren vinklades det minsta och mycket
små vinkelskillnader gav betydande skillnader. Vid mätning så pulserade värdena. De registrerade värdena var således ett ungefärligt medelvärde.
Variationsomfånget var ca 10-15
% av det registrerade värdet.
Figur 4-18 Lufthastighets-mätare Figur 4-19 Lufthastighetsgivare
4.2.1 Hastighetsfält hos fläkten.
Första mätningen var på undersidan av fläkten, dvs. inne i apparatskåpet. Resultat se bilaga F.
4.2.1.1 Mätning på undersida Mätning utfördes på 13 definierade lägen (Figur 4-21) på undersidan av fläkten där givaren placerades så nära skyddsgallret som möjligt (Figur 4-20).
. Figur 4-20 Placeringen av givaren har gjorts via en inställbar arm så nära fläktgallret som möjligt.
Figur 4-21 Mätpunkter på undersida av fläkt (toppvy).
För att utreda tillförlitligheten i mättresultatet (bilaga F) har fyra serier (tänkta snitt) plottats där varje serie består av tre värden (t.ex. E,F,G och I,H,G) och är symetrisk placerade i förhållande till varandra. Lufthastigheten i dessa serier förväntades, nästintill, kulminera vid samma avstånd från centrum. Vid analys av det plottade resultatet (Figur 4-22) framgår att det inte överensstämmer med det som förväntas.
Detta med anledning att det finns olika tänkbara felkällor vid denna mä tning.
Riktningen på luftflödeshastigheten var uppmätt axiellt med fläkten. Givet var att på
G H
F I
C A
K J
B D
L
M E
80 mm
Ø 400 mm 40mm
Däremot var det av mycket stor betydelse om givaren vinklades det minsta. Skillnaden kunde vara uppemot 20% med nästintill omärkbara vinkelskillnader. Utrymmet där givaren placerades var trångt och möjligheten att visuellt säkerställa önskad vinkel var ringa (Figur 4-21). Detta gällde således också placeringsriktigheten. Det visade sig att lufthastigheten ökade vid vinkling åt ena hållet och minskade vid vinkling åt andra hållet (vilket också talar för att luftflödet är vinklat).
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
1 2 3
serie ACG serie IHG serie MKG serie EFG
Figur 4-22 Plottning av lufthastigheten i snitten.
Av denna anledning gjordes mätningar på fläktens ovansida (trycksidan), där placering och vinkelnoggrannhet bättre kunde iakttagas.
4.2.1.2 Mätning på ovansida
Mätning utfördes på 60 definierade lägen (Figur 4-23) på fläktens ovansida där givaren placerades så nära skyddsgallret som möjligt. För att utreda tillförlitligheten av mätresultatet (Bilaga H) gjordes, som förut, plottningar av värdena (Figur 4-24). Det gjordes tre seriella plottningar.
mm
Fram
Figur 4-23 Mätpunkter på ovansidan av fläkten (toppvy)
Enligt de plottade kurvorna så tenderar dessa att sammanlöpa vilket överensstämmer med det som förväntades vid korrekta värden. Dessa värden kalibreras enligt kalibreringsbetingelser som givits från SP (Bilaga G).
ca: 10
mm
Øca:2
Mätpunkt 1 Mätpunkt 41
Mätpunkt 20 Mätpunkt 21 Mätpunkt 60
Mätpunkt 40
Lufthastighetsserier i tre snitt
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Mätpunkter(10mm intervall)
m/s
serie 1--18 serie 20--38 serie 39--57 Medelvärde Poly. (Medelvärde) Figur 4-24 Plottning av lufthastigheten i snitten.
Det uppmäta lufthastighetsfältet är ett viktigt randvillkor i kommande beräkningar. I detta arbete approximeras dock hastighetsfältet att vara uniform hela ytan. Det fanns emellertid anledning att utreda hastighetsfältet mer noggrant. Detta för att underlätta ev.
ändringar i kommande beräkningar om inte ovan nämnda approximation överensstämmer tillräckligt med verkligheten. Således erhålles också bra underlag för ev. framtida CFD-beräkningar.
Av denna anledning interpolerades fler punkter fram med hjälp av Matlab. Detta gjordes med hjälp av en Fouriertransformation (Bilaga I) som trigonometriskt interpolerar fram punkterna (Figur 4-25)
Resultatet erhölls därefter genom att numerisk integrera elementvis (Figur 4-26) där värdet i varje element representeras av en mitt- nod (punkt i mitten av elementet) vars belopp ges av Fouriertransformationen [3, 4].
Figur 4-25 Plottning av funktionsytan som visualiserar luftflödesfältet vid fläkten
Resultatet var 8080e+005 mm3/s (Bilaga I sid.15) vilket motsvarar 6.5 m/s eftersom ytan begränsades av en yttre och en inre cirkel vars radier var 200 mm resp. 20 mm.
4.2.2 Övriga mätpunkter
För att verifiera det slutliga resultatet av CFD-beräkningen så uppmättes lufthastigheten vid ytterliggare 50 punkter (Figur 4-27) vars resultat redovisas i bilaga J.
Figur 4-27 Mätning av lufthastighet i apparatskåp. Sfärerna representerar mätpunkter
5 Geometrisk formbestämning
Geometriska mått har delvis erhållits från befintligt ritningsunderlag men i huvudsakligen från praktiska mätningar. Som preprocessor användes UniGraphics (CAD).
5.1 CAD, UniGraphics
Läsaren förutsätts ha grundläggande CAD-kunskaper och dess nomenklatur. En fullständig CAD- modell (assembly) har gjorts av det befintliga apparatskåpet.
Detaljerna som genererats i UniGraphics består av ca 3300 enheter. Geometriska storheter har uppmätts eller framgått av befintligt ritningsunderlag. Av utgångsmodellen har en invers modell genererats, dvs. en solid geometri som motsvarar den inneslutna luftvolymen i apparatskåpet. Slutligen anbringades ett beräkningsnät på denna modell.
5.1.1 Ingående detaljer, UniGraphics
Sammanställningsmodellen består av sammanställt av 32 olika underordnade CAD- modeller på de enskilda detaljerna. Alla detaljer har genererats från början med undantag av kylflänsens profil som erhållits från företaget.
5.1.1.1 Generell strukturideologi
All modellering har inletts med att generera en ursprungsgeometri som identifierar modellens huvudsakliga exteriöra utseende. De stora detaljerna genererades först och sedan de mindre. Modellerna har genererats utifrån en primitiv eller en extruderad
”sketch” som sedan varit objekt för olika featureoperationer. Alla primitiver eller sketcher har placering runt origo eller i positiva koordinater. De enskilda detaljerna har ofta parametriserade måttsättning. De mått som valdes att vara parametriserade var de mått som (utifrån en subjektiv bedömning av undertecknad) antages var sådana mått som i framtiden kan tänkas vara objekt för ev. ändringar. De enskilda detaljernas geometriska mått är ej kopplade till andra detaljers geometriska entiteter.
5.1.1.1.1 Lager
Geometrier har delats in i fyra olika lager.
• Lager 1. Grundgeometrin, solider och plan.
• Lager 2. Linjer, plan och axlar som agerar som hjälpgeometrier vid generering av detaljer, så som speglingsplan vid ”mirror”, rotationsaxlar eller vid trimning av enskilda detaljer.
• Lager 3. Linjer och kurvor som avser kylflänsens profil.
• Lager 10. Plan som agerar som substitut för reella ytor eller plan som agerar som trimplan vid bestämning av invers- modellens yttre randvillkor.
5.1.1.2 Geometrisk förenkling
Förenkling av modellen har gjorts med anledning av att tidsåtgången för att generera det tredimensionella beräkningsnätet (mesh) ska vara rimlig. Simplifieringar har utförts där de förmodas påverka slutresultatet som minst. Generellt har avrundningar ej modelleras.
Kablar, skruvar, bultar och muttrar har ej modelleras. Förenklingar har utförts genom avaktivering av features (normalt aktiverade) i sammanställningsnavigatören såväl som aktivering av features (normalt avaktiverade). I vissa fall har förenklingar utförts genom att ändra parametrar (expressions) eller genom att ett plan agerar som ett substitut för en solid-yta. I sällsynta fall har detaljmodeller tagits bort helt. Förenklingar redovisas i bilaga D.
5.1.2 Sammanställningar, UniGraphics
Detaljer som hade en samhörig placering vid diodventilen ingick i en del- sammanställning. Detaljer som hade en samhörig placering vid transformatorn ingick i en annan del-sammanställning. Dessa del-sammanställningar tillsammans med övriga detaljer ingår i en huvudsammanställning (ram_asm.001) och dess strukturträd framgår i bilaga C. Detaljer erhöll rätt placering genom att anbringa passningsvillkor (mating).
Dessa kommer inte att i denna rapport redovisas utan framgår i de CAD- filer som överlämnats till Kraftelektronik (Bilaga B).
5.1.3 Inverterad volym
Alla de förenklade detaljerna kopierades gemensamt i sammanställningen och exporteras till en egen detaljritning (simplifierad_003.prt). Passningsförhållanden mellan de olika delarna var i denna modell overksamma. Det förekommer inga länkar mellan originalet och kopian, dvs. att ändras originalet så uppdateras ej kopian.
5.1.3.1 Tillvägagångssätt
• En kub (primitiv) skapas. Denna kub är större än modellen av apparatskåpet och placeras så att apparatskåpet inryms i denna kub.
• Alla solida detaljer som hade någon gemensam kanter förenas med kommandot
”Unite”.
• De datumplan som agerar som substitut för de reella ytor eller de datumplan som agerar som trimplan för invers-modellens yttre randvillkor aktiveras genom att aktivera lager 10.
• Kuben trimmas med hjälp av dessa datumplan.
• Fläktens innervolym genererades genom att först dela volymen vid fläktens botten-yta (Figur 5-1). För att erhålla den volym som innesluts inuti fläkten så användes fläktens inner-yta som trimyta (Figur 5-2)
Figur 5-1 Volymen delas av vid fläkten. Figur 5-2 Volymen som inneslutes i fläkten genereras slutligen genom att trimma mot fläktens inre yta.
• Monteringsplåten agerade som trimyta för att ge ytterliggare form åt volymen (Figur 5-3, 5-4).
Figur 5-5-3 Monteringsplåten agerar som trimyta. Figur 5-5-4 Utseende efter trimning.
• Den inneslutande soliderna subtraheras från det trimmade blocket (Figur5-5,5-6)
Figur 5-5 Extriör hos den färdiga inversvolymen. Figur 5-6 Snitt som visualiserar inversvolymens insida. Det kan noteras att planen av infinit tjocklek har sitt ursprungliga utseende.
Enligt ovan så har endast solider varit objekt för subtraktionsoperationer. De ytor som förenklats att vara utan tjocklek är således kvar inuti inversvolymen i sitt ursprungliga utseende.
5.1.3.2 Exportering av inversvolymen.
Den färdiga inversvolymen ska exporteras till program, Gambit, för vidare bearbetning.
Gambit är installerat på ett kluster med ett Unix-baserat operativsystem. Modellen exporterades på neutralfilformatet, IGES. Gambits post-processor återskapar neutralfilerna antingen som solider eller som ytor. Då volymen som ska exporteras delvis består av ytor som inte tillhör en solid (infinit tjocklek) exporterades två filer, simplified_003_solid_IGES.igs simplified_003_face2_IGES.igs. Filerna exporterades till datorklustret via FTP.
6 Elementuppdelning (Mesh), Gambit
De importerade filerna infördes till Gambit i två steg, örst solider och sedan obundna ytor. Dessa samlades in en modell ( simplified_003_newmesh2.dbs.)
Generellt gäller att elementuppdelning görs med anledning av att beräkningar ska vara ändliga. Det vill säga att eftersom värdet (av en bestämd kvantitet) i en viss punkt påverkar värdet i en annan punkt, och att det i geometrin inryms oräkneligt många punkter, så skulle det krävas oändligt mängd data för att beräkna denna kvantitet. Därför antar man att under ett litet volymintervall så är de kvantiteter, man ska utreda, nästintill konstanta i detta volymintervall. Således så delar man upp en geometri i olika finita volymelement (beräkningsnät). Däremot så finns det svårigheter att avgöra storleken av dessa volymelement, eftersom dess storlek inte endast är avhängt geometrin utan är ett sammansatt problem där geometrin samspelar med flödets karaktär [5, 6].
Det krävs således att kvalitén av elementuppdelningen verifieras så att den valda storleken är tillräckligt liten för att ovan antagande ska vara riktigt. Samtidigt måste volymelementen vara tillräckligt stora så att antalet volymelement anpassas till given datorkapaciteten samt att resultat kan nås inom rimlig beräkningstid. Kvalitén avgörs vid CFD-beräkningen (Kap. 7) vilket leder till att elementuppdelningen förfinas tills en tillräcklig bra lösning erhålles ur CFD-beräkningen (Figur 6-1).
Volymelementens storlek, i detta arbete, reglerades genom att anbringa ett bestämt antal element till geometrins olika kanter. Oftast var uppdelningen progressiv. Genom att en ytas alla kanter hade anbringats element så var också ytans beräkningsnät definierad.
Likaledes var också volymen beräkningsnät definierad, genom att en volyms alla ytor anbringats element. Det fanns således vissa begränsningar vid elementuppdelning som bestämdes av modellens fria kanter. Därav har också geometrin korrigerats tills tillräcklig bra elementuppdelning har kunnats uppnås. Detta innebar att de olika förloppen (Figur 6-1) upprepas tills en tillräcklig lösning erhålles ur CFD- beräkningen.
Alla volymelement är tetraedriska. De enskilda kanternas elementuppdelning framkommer i de datafiler som bifogats till Kraftelektronik (Bilaga B).
Figur 6-1
6.1 Geometriska ändringar och förenklingar i GAMBIT
Vissa geometriska ändringar och förenklingar gjordes i GAMBIT. Detta med anledning av att det underlättade exporteringen från CAD-programmet. Också gjordes enklare förenklingar av geometrin pga. begränsningar vid elementuppdelning.
1. De övre och under transformatorbalkarna förlängdes så att de sammanlöpte med de begränsade sido-ytorna (Figur 6-1).
2. De övre och under transformatorbalkarna utvidgades något så att de sammanlöpte med spolarnas (cylindrarna) radiella gränsyta (Figur 6-1).
3. De två undre transformatorbalkarna (som har samma utseende som de övre) förenklades till en fyrhörning (Figur 6-1).
4. De stansade hålen som utgör luftintaget förenklades med en fyrkantig yta som motsvarar den yta som inryms av alla hål (Figur 3-2).
Lösning Generering
av modell
Elementupp delning
CFD- beräkningar
Figur 6-2
6.2 Uppdelning av volym
Som tidigare nämnts så krävdes det möjlighet att reglera beräkningsnätet. Detta gjordes genom att volymen avstyckades med avsikt att frigöra nya kanter. Valet av var volymen skulle avstyckas motiverades genom att påbörja CFD-beräkningar och analysera var beräkningsnätet (elementuppdelning) behövdes förfinas genom att visualisera temperatur- och hastighetsgradienterna. Den slutliga avstyckningen presenteras i bilaga K.
6.3 Generisk definition av ytor
De ytor som är behäftat med samma egenskaper, tex. en viss temperatur eller ett visst massflöde, kategoriseras. Detta framkommer i de datafiler som bifogats till företaget (Bilaga B).
7 CFD-beräkning, Fluent
Vid flödesberäkningar används uppsättning av ekvationer (Navier-Stokes ekvationer ) [5, 7] för att beräkna de olika kvantiteterna (densitet, hastighet, energi). Förutom för väldigt enkla applikationer, så har dessa ekvationer ingen analytisk lösning. Därför är det ett behov av att använda sig av numeriska metoder för att beräkna en numerisk lösning som ger närmevärde för den exakta lösningen. Det existerar olika familjer av numeriska metoder. Fluent använder sig av den ”Finita volymmetoden”. Kvantiteterna
1
2 3
