Onan soğutmalı yağlı tip güç transformatörlerinde radyatör tasarımının soğutma performansına etkisinin sonlu elemanlar yöntemiyle analizi

Abstract

Güç transformatörlerinde soğutma nedeniyle ısı transferi, trafonun sağlıklı çalışması ve trafonun ömrü açısından kritik öneme sahiptir. Özellikle ONAN soğutma sisteminde yağ ve hava akışı tamamen doğal sirkülasyona dayandığından radyatör yüzeyinde oluşan ısı transferi, transformatörün çalışma sıcaklığını belirleyen temel faktörlerden biridir. Bu nedenle radyatörlerdeki yağın; ısıl davranışı, akış karakteristikleri ve ısı transferi performansı üzerindeki etkilerin detaylı olarak analiz edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada ONAN (Oil Natural Air Natural) soğutma sistemine sahip yağlı tip güç transformatörlerinde radyatör geometrisi değişmez sayılarak radyatör ısı transferinin sonlu elemanlar metodu ile incelenmesi hedeflenmiştir. Çalışma 1 dilimli radyatörön geometrisini baz almış bir örnek üzerinden ilerlemiştir ve analize yağın viskozite, yoğunluk ve ısıl iletkenlik gibi fiziksel özellikleri de dahil edilmiştir. Çalışmada üç farklı yağ tipi için analize yer verilmiştir. Yağ tipi haricinde parametrik analizler her yağ türü için; yağ giriş sıcaklığı, hava sıcaklığı ve radyatör sac kalınlığı aynı anda değişken olarak ele alınmıştır. Doğal hava ve radyatör içerisine doğal olarak akan yağın oluşturduğu ısı transferini sonlu elemanlar ağırlıklı bir model ile elde edilmiştir. Sonuç olarak, ONAN tip soğutma sistemli transformatörlerde yağ giriş sıcaklığı, hava sıcaklığı, yağ tipi ve radyatör sac kalınlığı ısıl performans üzerinde kritik etkiye sahip olduğunu ortaya çıkmıştır. Elde edilen sonuçlar yağ tipi, çalışma koşulları ve radyatör sac kalınlığının; transformatör soğutma sisteminin optimize edilmesi açısından mühendislik adına önemli katkılar sunmaktadır. Ayrıca çalışma, Sonlu elemanlar yöntemi baz alınarak yapılmış analiz yönteminin, radyatör ısı transferinin güvenilir şekilde değerlendirilmesinde etkin bir araç olduğunu göstermektedir.Heat transfer due to cooling in power transformers is of critical importance for the transformer’s proper operation and service life. In particular, since the oil and air flow in the ONAN cooling system rely entirely on natural circulation, the heat transfer occurring on the radiator surface is one of the key factors determining the transformer’s operating temperature. For this reason, it is necessary to conduct a detailed analysis of the effects of the oil in the radiators on thermal behavior, flow characteristics, and heat transfer performance. The objective of this thesis is to investigate heat transfer in oil-filled power transformers with ONAN (Oil Natural Air Natural) cooling systems using the finite element method, assuming a constant radiator geometry. A single-section radiator with a similar geometry was selected as the study model; properties of the oil such as viscosity, density, and thermal conductivity were included in the analysis. Analyses were performed for three different oil types. In the parametric analyses conducted separately for each oil type, the oil inlet temperature, air temperature, and sheet thickness were defined as input parameters. Heat transfer between the natural oil flow inside the radiator and the air on the outer surface was solved using a finite element method approach. In conclusion, it has been found that the oil inlet temperature, ambient temperature, oil type, and radiator fin thickness have a critical impact on the thermal performance of transformers equipped with ONAN-type cooling systems. The results obtained provide significant engineering insights regarding the optimization of transformer cooling systems, particularly concerning oil type, operating conditions, and radiator fin thickness. Furthermore, the study demonstrates that the analysis method based on the finite element method is an effective tool for reliably evaluating heat transfer in radiators.