1 – Meccanismi di trasmissione del calore

1. Costruzioni elettromeccaniche a.a. 2003 -04 TRASMISSIONE DEL CALORE 1 – Meccanismi di trasmissione del calore 2 – Raffreddamento delle macchine elettriche 3 – Transitorio termico Bozza – Marzo 2004

2. 1 – Meccanismi di trasmissione del calore conduzione trasferimento di energia che avviene attraverso un mezzo materiale senza che in esso vi sia movimento macroscopico di materia convezione trasferimento di energia che avviene per mezzo di movimenti macroscopici di materia irraggiamento trasferimento di energia per mezzo di radiazioni elettromagnetiche; quindi può avvenire anche in assenza di materia (nel vuoto) In realtà il trasferimento di energia sotto forma di calore è un fenomeno assai complesso che quasi sempre coinvolge tutti e tre i “meccanismi” citati.

3. per un corpo a facce piane e parallele l S T1 P l conduttività termica conduttanza termica (di conduzione) DT dT T2 x x1 x2 dx Conduzione termica in regime stazionario

4. T1 T1 P P Gc Gc DT DT V1 V1 O O i i T2 T2 G G DV DV O O V2 V2 Rete equivalente termica

5. l (W/cmK) T (K) Conduttività termica l in funzione della temperatura per alcuni materiali

7. pc Gc DT Trasmissione per convezione in regime stazionario pc - calore trasferito per convezione nell’unità di tempo [W]  Ac - area della parete di contatto  DT - differenza di temperatura fra la parete e la massa del fluido  kc - coefficiente di convezione [W/m2K]

8. kc (W/m2K) 140 Coefficiente di convezione in funzione della velocità del fluido per pareti verticali lisce di altezza h raffreddate con aria forzata 120 h = 0,25 m h = 0,5 m 100 h = 1 m h = 2 m 80 60 40 20 20 25 35 10 15 5 30 m/s Fattori che influenzano il coefficiente di convezione kc • forma della parete (piatta o curva) • orientamento della parete rispetto al fluido • densità, viscosità calore specifico e conducibilità termica del fluido refrigerante (caratteristiche fisiche che dipendono tutte dalla temperatura) • esistenza di evaporazioni, formazione di incrostazioni • velocità del fluido (laminare o turbolento)

9. Per l’aria nella stessa situazione ed a 20°C con una pressione di 760 torr è stata proposta (tra le molte altre) la formula empirica Ordine di grandezza di Kc (a titolo indicativo) (parete di contatto verticale liscia e convezione naturale)

10. pi - calore trasferito per irraggiamento nell’unità di tempo [W] Ai - area della superficie del corpo s - costante di Stefan-Boltzmann ; Irraggiamento La potenza irraggiata da un corpo alla temperatura T è data da

11. pi 200 °C 50 °C T (K)

12. Per una temperatura compresa più o meno fra 0 °C e 100 °C possiamo porre: (ki - coefficiente di irraggiamento [W/m2K]) pi vengono anche utilizzate molte relazioni empiriche: ad esempio come ordine di grandezza si ha Gi DT

13. coefficiente globale di trasmissione Ai poiché di solito è Ac Calore trasmesso per convezione e irraggiamento

14. s Quindi: all’aumentare della potenza di una macchina elettrica devono essere adottati sistemi di raffreddamento più efficaci che portino ad un maggior scambio termico (W/cm2) sulla superficie di scambio 1 – Raffreddamento delle macchine elettriche • Le perdite sono proporzionali al peso del componente. • La cessione all’ambiente del calore prodotto da tali perdite, avviene attraverso la superficie esterna. • Il peso dipende da s3 e la superficie di scambio termico da s2, quindi le perdite, al crescere delle dimensioni e quindi del volume e della superficie esterna della macchina, aumentano più rapidamente della superficie di scambio termico attraverso la quale vengono dissipate.

15. Gcu-fe~ 0 olio ol cu fe Pcu Pfe Cu Fe O Raffreddamento dei trasformatori Rete termica equivalente in regime stazionario di un trasformatore

16. esempi Natura del mezzo refrigerante simbolo ONAN Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e dell’aria Olio isolante (infiammabile) O Liquido isolante non infiammabile L Gas G ONAF Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e forzata dell’aria Acqua W Aria A AN Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria Tipo di circolazione Naturale N ANAF Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria all’interno e forzata all’esterno Forzata non guidata F Forzata e guidata D Sigle prevista dalle Norme CEI per il raffreddamento dei trasformatori Mezzo refrigerante a contatto con il sistema esterno di raffreddamento Mezzo refrigerante a contatto con gli avvolgimenti

17. A secco con ventilazione naturale in aria : AN in resina a secco

18. In olio con circolazione naturale dell’olio e raffreddamento naturale in aria: ONAN

19. Trasformatore in olio a raffreddamento naturale del’olio e dell’aria (ONAN) serbatoio olio radiatori

20. In olio con circolazione naturale dell’olio raffreddato ad aria forzata: ONAF aria aria olio In olio con circolazione forzata e guidata dell’olio raffreddato ad aria forzata: ODAF aria

21. Trasformatore circolazione guidata dell’ olio e con ventilazione forzata (ODAF)

22. scambiatori di calore olio acqua scambiatori di calore In olio con circolazione forzata e guidata dell’olio raffreddato con scambiatori ad acqua: ODWD

23. Fotografia all’infrarosso di un trsaformatore in servizio (in rosso le parti a temperatura maggiore)

24. rotore con palette di ventilazione circuito aperto ventilazione di macchina chiusa Raffreddamento di macchine rotanti di piccola potenza

25. alette di ventilazione ventola Raffreddamento di motori di piccola potenza

26. macchina ad asse orizzontale raffreddata in ciclo aperto macchina ad asse orizzontale raffreddata in ciclo chiuso refrigerante Raffreddamento di macchine rotanti di potenza

27. Macchina di potenza con raffreddamento ad aria in circuito aperto alette di raffreddamento ventola di raffreddamento

28. Schema di raffreddamento in circuito aperto di un alternatore ad asse verticale

29. refrigeranti Schema di raffreddamento in circuito chiuso di un alternatore ad asse verticale

30. Raffreddamento in circuito chiuso dello statore di un alternatore di grande potenza pannelli di refrigerazione

31. ventilatori assiali Generatore sincrono a 4 poli con ventilazione bilaterale ad aria (2 ventilatori assiali e canali radiali nel nucleo magnetico)

32. Schema di raffreddamento in aria di un turboalternatore l’aria di raffreddamento circola nelle camere di fondazione della macchina apparecchiature di refrigerazione per l’aria

33. Alternatore raffreddato ad idrogeno e con circolazione di acqua demineralizzata nell’avvolgimento di statore

34. scambiatori di calore per il raffreddamento dell’idrogeno acqua demineralizzata idrogeno ventilatore centrifugo canali di raffreddamento nel nucleo statorico Schema di ventilazione di un turboalternatore raffreddato ad idrogeno ed acqua demineralizzata nell’avvolgimento di statore

35. acqua demineralizzata di raffreddamento blocco sostegno camera acqua piattine di rame pieno piattine cave in acciaio inox per la circolazione dell’acqua blocchi di rame per il collegamento delle barre dell’avvolgimento camera acqua in acciaio inox Avvolgimento statorico raffreddato ad acqua

36. bietta isolamento fori di adduzione dell’acqua di raffreddamento Conduttore attivo di statore raffreddato ad acqua

37. avvolgimento deionizzatore filtro refrigerante serbatoio polmone pompe di circolazione Schema semplificato per la demineralizzazione dell’acqua di raffreddamento dello statore

38. Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. contenuto termico specifico Asp = d ·cp Portata volumetrica specifica V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m3/s] qe = temperatura in entrata [°C] qu = temperatura in uscita [°C] d = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3] cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C]

40. a = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti g = peso specifico del gas di raffreddamento c = calore specifico a pressione costante k = conducibilità termica del gas h = viscosità del gas aria c = 1009 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 1,2 kg/m3 k = 0,025 W/°C m ;  = 0,185 10-4 kg/s idrogeno c = 14.500 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 0,084 kg/m3 k = 0,185 W/°C m ;  = 0,090 10-4 kg/s (W/m2)

41. calore dissipato all’esterno pd calore prodotto p calore accumulato nella massa del materiale pa 3 – Transitorio termico Facciamo riferimento al calore trasferito per unità di tempo[J/s] Tm : temperatura del materiale T0 : temperatura ambiente

42. ponendo T0 = 0 capacità termica del materiale conduttanza termica complessiva kgcoefficiente globale di trasmissione A superficie della macchina Equazione del transitorio termico

43.  ic id i V rete elettrica C G O   pa pd p Tm Gd Ctm O (ambiente)  Rete equivalente termica rete equivalente termica

44. t Tr T(t) t Transitorio di riscaldamento

45. t Tr t t t riscaldamento Tr raffreddamento

46. Gcu-fe~ 0 olio ol cu fe Pcu Pfe Cu Fe O Trasformatore: rete termica equivalente in regime stazionario

47. olio fe ol cu Pfe Pcu Cu Fe O Trasformatore: rete termica equivalente in regime transitorio Ccu Cfe

48. Bruschi aumenti di temperatura Quando un aumento di temperatura avviene con un transitorio molto rapido (ad esempio in caso di corto circuito), si può in prima approssimazione ritenere che il processo sia adiabatico: quindi tutto il calore prodotto serve ad aumentare la temperatura della macchina: di solito si presume che l’intervento delle protezioni avvenga in 1s: t = 1 s

49. T Tr Tmax t t1 t Servizio di durata limitata • Si ha quando una macchina, inizialmente a temperatura ambiente (T = 0) • fornisce una potenza superiore alla nominale, con una potenza perduta Pp • rimane in servizio per un tempo t1 fino a raggiungere la temperatura Tmax • rimane fuori servizio fino a che la sua temperatura torna ad essere quella ambiente Ppn: potenza dissipata quando la macchina eroga la potenza nominale

50. 2 . 5 2 . 0 1 . 5 1 . 0 1 2 3 4 5 6 Sovraccarico ammissibile nel servizio di durata limitata • A temperatura massima ammissibile Tmax costante: • Pp : potenza dissipata in sovraccarico • Ppn : potenza dissipata a potenza nominale • t1 : durata del servizio in sovraccarico