Viel heiße Luft – um nichts? Warum die Gondeln von Windkraftanlagen ihre Wärme nicht immer problemlos loswerden zeigt die CFD-Simulation

Wir kennen es alle aus unserer Kindheit beim Spielen mit der elektrischen Eisenbahn: Der Trafo wird ziemlich warm und manchmal brennt er durch.

Ähnlich verhält es sich auch bei Transformatoren von Windkraftanlagen, auch sie werden warm.

Lediglich die Wärmemenge ist etwas höher und der Schaden größer…

Die Transformatoreinheit einer Windkraftanlage befindet sich im hinteren Teil der Gondel und besitzt eine eigene Kühlluftversorgung.

Abbildung 1: Gondel einer Windkraftanlage

Im Betrieb kommt es durch die Verlustleistungen in den Spulen zu einer Aufheizung des Trafos und die entstehende Wärme wird an die Umgebungsluft abgegeben.

Um die zulässige Betriebstemperatur der Trafoelemente einzuhalten und dabei ein unkritisches Niveau der Raumtemperatur zu gewährleisten, muss die Kühlung ausreichend dimensioniert werden. Besteht die Trafoeinheit aus mehreren eng angeordneten Spulen, so ist außerdem der Strahlungseinfluss nicht zu vernachlässigen und es können einzelne Stellen mit erhöhten Temperaturen auftreten.

Erfolgt die Kühlung nur durch freie Konvektion und ist ein Einfluss benachbarter Spulen nicht gegeben, so kann eine analytische Abschätzung der Kühleigenschaften unter Umständen noch genügen.

Dagegen ist bei einer aktiven Kühlung des Trafos mittels mehrerer Ventilatoren auf Grund des komplexen Strömungsfelds eine analytische Abschätzung nicht mehr möglich. In diesem Fall bietet sich eine thermische Analyse der Kühlung durch eine numerische Strömungssimulation an. Der Einsatz der CFD-Simulation (Computional Fluid Dynamics = Strömungssimulation) bietet den Vorteil, dass der komplette Traforaum in der Gondel einschließlich Strahlung berücksichtigt werden kann.

Abbildung 2: CFD-Simulation mit Strömungslinien im Trafo bei aktiver Kühlung

Die an der Unterseite des Trafos angebrachten Ventilatoren saugen Luft aus der Umgebung in die Gondel. Die Positionierung der Ventilatoren ist so ausgeführt, dass die Kühlluft direkt in die einzelnen Ringspalte der Spulen geblasen wird, um eine ausreichende Kühlung zu ermöglichen. Die erwärmte Luft wird an der Oberseite der Gondel wieder in die Umgebung ausgeleitet.

Bei ausgeschalteten Ventilatoren erfolgt die Kühlung des Trafos nur über freie Konvektion und es kommt zu einer starken Erwärmung der Spulen. Durch die enge Anordnung der Spulen erfährt die mittlere Spule eine erhöhte Wärmebelastung im Vergleich zu den äußeren Spulen, wie die Temperaturverteilung auf dem Spulengehäuse in Abbildung 3 zeigt.

Abbildung 3: Temperaturverteilung auf dem Spulengehäuse

Dagegen lässt sich bei aktiver Kühlung mit Hilfe der Ventilatoren an der Trafoeinheit eine deutliche Temperatursenkung auf den Spulen erzielen (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Temperaturverteilung bei aktiver Kühlung

In Abbildung 5 sind auf verschiedenen Schnittebenen die Geschwindigkeitsverteilung im Ringspalt einer Spule abgebildet.

Abbildung 5: Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung im Schnitt bei aktiver Kühlung

Bereits an den Austrittsebenen der Ventilatoren liegt eine inhomogene Verteilung der Geschwindigkeit vor, die den Vorteil der CFD Simulation bei der Analyse solcher Problemstellungen zeigt.

Jetzt kann gezielt optimiert werden, damit es zu keinen Hitzenestern kommt, ohne dass Prototypen gebaut werden müssen oder Probleme gar erst beim Einsatz auftreten.

Schließlich ist nichts ärgerlicher, als wenn der Trafo durchbrennt oder man sich die Finger daran verbrennt… womit wir wieder bei der elektrischen Eisenbahn wären.

Müssen auch Sie ähnliche thermische Problemstellungen lösen? Etwas wird zu heiß, und sie wissen nicht, ob Ihr Kühlkonzept funktioniert?

Ob es sich um eine Spule, eine Batterie, eine Leiterplatte oder um den Spielzeugtrafo einer Märklineisenbahn handelt, wir beherrschen die Physik dahinter und bieten Ihnen Lösungen.

Vereinbaren Sie gerne einen unverbindlichen Termin für Ihre CFD-Simulation.

Ihr Stefan Merkle

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