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SCHEMI DI RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ROTANTI n Anche per le macchine rotanti valgono le considerazioni relative alla dipendenza dal fattore di scala.

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1 SCHEMI DI RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ROTANTI n Anche per le macchine rotanti valgono le considerazioni relative alla dipendenza dal fattore di scala di perdite e superficie di scambio termico con lambiente. n Passando quindi a potenze, e dimensioni, via via maggiori è necessario aumentare lefficacia dei mezzi di raffreddamento aumentando innanzitutto il coefficiente di adduzione e, per le grandi macchine, adottando tecniche di raffreddamento (raffreddamento diretto) e fluidi (idrogeno, acqua) che consentano una sempre maggiore efficienza. n Normalmente si usano ventilatori coassiali centrifughi od assiali. n Anche per le macchine rotanti valgono le considerazioni relative alla dipendenza dal fattore di scala di perdite e superficie di scambio termico con lambiente. n Passando quindi a potenze, e dimensioni, via via maggiori è necessario aumentare lefficacia dei mezzi di raffreddamento aumentando innanzitutto il coefficiente di adduzione e, per le grandi macchine, adottando tecniche di raffreddamento (raffreddamento diretto) e fluidi (idrogeno, acqua) che consentano una sempre maggiore efficienza. n Normalmente si usano ventilatori coassiali centrifughi od assiali.

2 n Fondamentalmente, per il raffreddamento con aria soffiata si hanno due possibili configurazioni: tCircuito aperto: laria fredda viene prelevata dallambiente e laria calda viene restituita allambiente. Sono necessari filtri e silenziatori per attenuare il rumore ed evitare accumulo di polvere nella macchina. tCircuito chiuso: laria o il fluido che circola nella macchina è sempre lo stesso, viene raffreddato con opportuni scambiatori di calore ad aria o ad acqua. Questa soluzione è lunica possibile se il fluido di raffreddamento è diverso dallaria, ad es. idrogeno. n Se la macchina presenta condizioni di massimo carico a basse velocità (uso siderurgico, motori di trazione) non può avere un ventilatore coassiale ma si deve utilizzare una ventilazione separata. n Fondamentalmente, per il raffreddamento con aria soffiata si hanno due possibili configurazioni: tCircuito aperto: laria fredda viene prelevata dallambiente e laria calda viene restituita allambiente. Sono necessari filtri e silenziatori per attenuare il rumore ed evitare accumulo di polvere nella macchina. tCircuito chiuso: laria o il fluido che circola nella macchina è sempre lo stesso, viene raffreddato con opportuni scambiatori di calore ad aria o ad acqua. Questa soluzione è lunica possibile se il fluido di raffreddamento è diverso dallaria, ad es. idrogeno. n Se la macchina presenta condizioni di massimo carico a basse velocità (uso siderurgico, motori di trazione) non può avere un ventilatore coassiale ma si deve utilizzare una ventilazione separata.

3 n Il fluido di raffreddamento si suddivide in almeno tre vie in parallelo: tspinto dai ventilatori raffredda le testate e attraverso le camere di ventilazione dello statore esce (circuito aperto) o attraversa il refrigerante (circuito chiuso); tspinto dai ventilatori penetra nel traferro e attraverso i canali di ventilazione raffredda il tratto diritto dellavvolgimento ed il pacco statore; tcon meccanismi diversi, a seconda del tipo di macchina, viene aspirato dal rotore e raffredda lavvolgimento di rotore e, se necessario, il pacco rotorico. n Il fluido di raffreddamento si suddivide in almeno tre vie in parallelo: tspinto dai ventilatori raffredda le testate e attraverso le camere di ventilazione dello statore esce (circuito aperto) o attraversa il refrigerante (circuito chiuso); tspinto dai ventilatori penetra nel traferro e attraverso i canali di ventilazione raffredda il tratto diritto dellavvolgimento ed il pacco statore; tcon meccanismi diversi, a seconda del tipo di macchina, viene aspirato dal rotore e raffredda lavvolgimento di rotore e, se necessario, il pacco rotorico.

4 Ventilazione Assiale per macchine di piccola potenza n Il ventilatore è calettato sullalbero, si predispongono dei deviatori per inviare laria sulle testate degli avvolgimenti o della gabbia. n Per macchine di piccola potenza. Laria si scalda man mano che attraversa la macchina ed il picco di riscaldamento dellaria si ha in prossimità della uscita dal pacco. n Non va bene per macchine lunghe n Il ventilatore è calettato sullalbero, si predispongono dei deviatori per inviare laria sulle testate degli avvolgimenti o della gabbia. n Per macchine di piccola potenza. Laria si scalda man mano che attraversa la macchina ed il picco di riscaldamento dellaria si ha in prossimità della uscita dal pacco. n Non va bene per macchine lunghe CIRCUITO APERTO

5 Ventilazione sul mantello (piccola potenza) n Il ventilatore è assiale ma fuori dalle parti attive. La ventola invia laria sul mantello esterno che è provvisto di alettatura per aumentare la superficie di scambio termico n E una soluzione per piccoli motori (P<100 kW) n La carcassa è fusa solo per grandi serie di produzione (P<10kW e produzioni di pezzi) perché lo stampo è costoso. Negli altri casi, le alette vengono saldate sulla carcassa. n Il ventilatore è assiale ma fuori dalle parti attive. La ventola invia laria sul mantello esterno che è provvisto di alettatura per aumentare la superficie di scambio termico n E una soluzione per piccoli motori (P<100 kW) n La carcassa è fusa solo per grandi serie di produzione (P<10kW e produzioni di pezzi) perché lo stampo è costoso. Negli altri casi, le alette vengono saldate sulla carcassa.

6 alette di ventilazione ventola Raffreddamento di motori di piccola potenza

7 Media Potenza: Ventilazione radiale bilaterale simmetrica n Macchina ad asse orizzontale, raffreddata a ciclo aperto n Due ventilatori assiali spingono laria da entrambe le direzioni. Con ciò si evita il problema del raffreddamento asimmetrico n Una serie di tegoli inviano laria sulle testate e nelle scanalature del circuito magnetico n Macchina ad asse orizzontale, raffreddata a ciclo aperto n Due ventilatori assiali spingono laria da entrambe le direzioni. Con ciò si evita il problema del raffreddamento asimmetrico n Una serie di tegoli inviano laria sulle testate e nelle scanalature del circuito magnetico

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

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

10 SCHEMA DI RAFFREDDAMENTO IN CIRCUITO APERTO DI UN ALTERNATORE AD ASSE VERTICALE

11 Ventilazione di tipo misto Il tipo misto va bene per rotori avvolti dove è prevista la presenza degli anelli e del reostato di avviamento Gli anelli sono in bronzo fosforoso che resiste allo scintillio anelli/spazzole. In ogni caso si scaldano e questo sistema consente di raffreddarli Sono anche realizzati in acciaio dolce che resiste meglio alla temperatura ma presentano una maggiore resistività Il tipo misto va bene per rotori avvolti dove è prevista la presenza degli anelli e del reostato di avviamento Gli anelli sono in bronzo fosforoso che resiste allo scintillio anelli/spazzole. In ogni caso si scaldano e questo sistema consente di raffreddarli Sono anche realizzati in acciaio dolce che resiste meglio alla temperatura ma presentano una maggiore resistività

12 REFRIGERANTE Raffreddamento a ciclo chiuso Macchina ad asse orizzontale raffreddata a ciclo chiuso Raffreddamento bilaterale simmetrico con scambiatore di calore esterno Utile in ambiente inquinato Evito di portare sporcizia in macchina I tegoli indirizzano laria sulle parti attive Macchina ad asse orizzontale raffreddata a ciclo chiuso Raffreddamento bilaterale simmetrico con scambiatore di calore esterno Utile in ambiente inquinato Evito di portare sporcizia in macchina I tegoli indirizzano laria sulle parti attive

13 SCHEMA DI RAFFREDDAMENTO ARIA-ACQUA IN CIRCUITO CHIUSO DI UN MOTORE ASINCRONO AD ASSE ORIZZONTALE

14 Per potenze elevate si usa acqua per raffreddare il circuito primario. Non posso scaricare aria calda nellambiente di lavoro del motore Es: compressore da 4000 kW con rendimento 0.9 produce 400 kW di perdite (stufa domestica 2 kW) Per potenze elevate si usa acqua per raffreddare il circuito primario. Non posso scaricare aria calda nellambiente di lavoro del motore Es: compressore da 4000 kW con rendimento 0.9 produce 400 kW di perdite (stufa domestica 2 kW)

15 Vista in Interno

16 Vista in Esterno

17 Schema di raffreddamento in aria di un turboalternatore laria di raffreddamento circola nelle camere di fondazione della macchina apparecchiature di refrigerazione per laria

18 SCHEMA DI RAFFREDDAMENTO IN CIRCUITO CHIUSO DI UN ALTERNATORE AD ASSE VERTICALE

19 RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ELETTRICHE DI GRANDE POTENZA n Per turboalternatori di potenza maggiore di 100 MVA si adotta lidrogeno come fluido di raffreddamento sfruttandone contemporaneamente la minore viscosità, che dà luogo a meno elevate perdite per ventilazione e il maggiore calore specifico che porta ad una maggiore efficienza di raffreddamento. n Per potenze superiori a 300 MVA si adotta il raffreddamento diretto con acqua demineralizzata nei conduttori di statore e diretto con idrogeno nei conduttori di rotore. È stato anche utilizzato, se pur raramente, il raffreddamento diretto con acqua demineralizzata nei conduttori di rotore. n Per turboalternatori di potenza maggiore di 100 MVA si adotta lidrogeno come fluido di raffreddamento sfruttandone contemporaneamente la minore viscosità, che dà luogo a meno elevate perdite per ventilazione e il maggiore calore specifico che porta ad una maggiore efficienza di raffreddamento. n Per potenze superiori a 300 MVA si adotta il raffreddamento diretto con acqua demineralizzata nei conduttori di statore e diretto con idrogeno nei conduttori di rotore. È stato anche utilizzato, se pur raramente, il raffreddamento diretto con acqua demineralizzata nei conduttori di rotore.

20 CONSUMO INDICATIVO DI H 2 PER GRANDI TURBOALTERNATORI (UNA BOMBOLA CONTIENE 6 NORMAL m 3 DI H 2 )

21 n Il riempimento di idrogeno viene di regola fatto con un riempimento intermedio di CO 2 per evitare la formazione di miscele esplosive, n Nel caso di raffreddamento diretto con acqua le zone (o le semizone) di statore sono raffreddate in parallelo. n In tal caso deve essere quindi previsto un impianto demineralizzatore per mantenere sempre ad un livello adeguato la resistività dellacqua. n Tale impianto, costituito da un deionizzatore a letto misto, utilizza resine a scambio ionico che entrano in azione quando la conducibilità dellacqua supera un limite prestabilito. n Il riempimento di idrogeno viene di regola fatto con un riempimento intermedio di CO 2 per evitare la formazione di miscele esplosive, n Nel caso di raffreddamento diretto con acqua le zone (o le semizone) di statore sono raffreddate in parallelo. n In tal caso deve essere quindi previsto un impianto demineralizzatore per mantenere sempre ad un livello adeguato la resistività dellacqua. n Tale impianto, costituito da un deionizzatore a letto misto, utilizza resine a scambio ionico che entrano in azione quando la conducibilità dellacqua supera un limite prestabilito.

22 ESAME COMPARATIVO, RIFERITO ALLARIA DELLE CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI FLUIDI DI RAFFREDDAMENTO

23 acqua demineralizzata idrogeno scambiatori di calore per il raffreddamento dellidrogeno ventilatore centrifugo canali di raffreddamento nel nucleo statorico Schema di ventilazione di un turboalternatore raffreddato ad idrogeno ed acqua demineralizzata nellavvolgimento di statore

24 Alternatore raffreddato ad idrogeno e con circolazione di acqua demineralizzata nellavvolgimento di statore

25 Conduttori attivi di statore raffreddati ad acqua bietta isolamento fori di adduzione dellacqua di raffreddamento

26 camera acqua in acciaio inox piattine di rame pieno piattine cave in acciaio inox per la circolazione dellacqua blocco sostegno camera acqua blocchi di rame per il collegamento delle barre dellavvolgimento acqua demineralizzata di raffreddamento Innesti per raffreddato ad acqua

27 INNESTI

28 Schema semplificato per la demineralizzazione dellacqua di raffreddamento dello statore avvolgimento serbatoio polmone deionizzatore refrigerante pompe di circolazione filtro

29 V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m 3 /s] e = temperatura in entrata [°C] u = temperatura in uscita [°C] = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m 3 ] c p = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C] Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. contenuto termico specifico A sp = · c p Portata volumetrica specifica

30 = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti = peso specifico del gas di raffreddamento c = calore specifico a pressione costante k = conducibilità termica del gas = viscosità del gas c = 1009 J/°C kg ; = 1/293 ; = 1,2 kg/m 3 k = 0,025 W/°C m ; = 0, kg/s aria c = J/°C kg ; = 1/293 ; = 0,084 kg/m 3 k = 0,185 W/°C m ; = 0, kg/s (W/m 2 ) idrogeno

31 RAFFREDDAMENTO E LA VENTILAZIONE DELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI n Per il raffreddamento e la ventilazione delle macchine elettriche ed in particolare delle macchine rotanti, ci si avvale della circolazione di fluidi di raffreddamento allinterno delle varie parti che compongono la macchina. I fluidi maggiormente usati sono: n GASLIQUIDI AriaAAcquaW IdrogenoHOlioU Azoto N CO 2 C n Il fluido primario, circolando allinterno della macchina ne asporta il calore derivante dalle perdite generate nelle parti attive. n Per il raffreddamento e la ventilazione delle macchine elettriche ed in particolare delle macchine rotanti, ci si avvale della circolazione di fluidi di raffreddamento allinterno delle varie parti che compongono la macchina. I fluidi maggiormente usati sono: n GASLIQUIDI AriaAAcquaW IdrogenoHOlioU Azoto N CO 2 C n Il fluido primario, circolando allinterno della macchina ne asporta il calore derivante dalle perdite generate nelle parti attive.

32 n Il fluido secondario scambia calore con il fluido primario raffreddandolo e cedendo il calore allambiente. n Il fluido primario, se gas, viene fatto circolare mediante ventilatori coassiali al rotore (Autoventilazione) o con elettroventilatori esterni (Ventilazione Assistita). n Si può avere: tCircuito aperto nel quale il prelievo e lo scarico del fluido avviene nellambiente esterno. tCircuito chiuso nel quale il fluido primario scambia calore con lesterno attraverso refrigeranti ed un fluido secondario. n Si ha: tRaffreddamento indiretto quando li scambio termico avviene attraverso una barriera isolante. tRaffreddamento diretto quando il fluido circola a diretto contatto con i conduttori. n Il fluido secondario scambia calore con il fluido primario raffreddandolo e cedendo il calore allambiente. n Il fluido primario, se gas, viene fatto circolare mediante ventilatori coassiali al rotore (Autoventilazione) o con elettroventilatori esterni (Ventilazione Assistita). n Si può avere: tCircuito aperto nel quale il prelievo e lo scarico del fluido avviene nellambiente esterno. tCircuito chiuso nel quale il fluido primario scambia calore con lesterno attraverso refrigeranti ed un fluido secondario. n Si ha: tRaffreddamento indiretto quando li scambio termico avviene attraverso una barriera isolante. tRaffreddamento diretto quando il fluido circola a diretto contatto con i conduttori.

33 NORME SUL TIPO DI RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ROTANTI n I metodi di raffreddamento delle macchine elettriche rotanti sono classificati dalla norma: CEI 2-7/97- IEC (IC CODE I° e II°) n Il codice IC tipo I° semplificato si riferisce solamente allaria ed è costituito dal codice IC seguito da due cifre caratteristiche n La prima indica la disposizione del circuito di raffreddamento n La seconda la modalità con cui è fornita la potenza necessaria alla circolazione del fluido di raffreddamento tquando la seconda cifra è 1 (autocircolazione con dispositivo per muovere il fluido di raffreddamento montato sullalbero della macchina), tale cifra può essere omessa n I metodi di raffreddamento delle macchine elettriche rotanti sono classificati dalla norma: CEI 2-7/97- IEC (IC CODE I° e II°) n Il codice IC tipo I° semplificato si riferisce solamente allaria ed è costituito dal codice IC seguito da due cifre caratteristiche n La prima indica la disposizione del circuito di raffreddamento n La seconda la modalità con cui è fornita la potenza necessaria alla circolazione del fluido di raffreddamento tquando la seconda cifra è 1 (autocircolazione con dispositivo per muovere il fluido di raffreddamento montato sullalbero della macchina), tale cifra può essere omessa

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37 n Il codice IC II° completo è costituito al massimo da cinque lettere o numeri, ad esempio: IC 8 A 1 W 7 n Il significato della sigle è indicato nella tabella seguente. n Il codice IC II° completo è costituito al massimo da cinque lettere o numeri, ad esempio: IC 8 A 1 W 7 n Il significato della sigle è indicato nella tabella seguente.

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41 n Massime Sovratemperature per Macchine Rotanti (Classi Termiche CEI 15-26) n Massime Sovratemperature per Macchine Rotanti (Classi Termiche CEI 15-26)

42 Per Macchine Raffreddate ad Idrogeno con Potenze Nominali > 500 kVA Potenze Nominali < 500 kVA

43 Per Macchine Raffreddate ad Aria

44 Per Macchine Raffreddate ad Aria (cont.)

45 Per Macchine Raffreddate ad Aria con parti attive raffreddate direttamente

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47 Riferimenti convenzionali per temperature base del fluido refrigerante: i salti di temperatura vengono valutati a partire dai seguenti valori: n aria : 40 °C n acqua in ingresso : 25° C n idrogeno alluscita dello scambiatore di calore: 40 °C Riferimenti convenzionali per temperature base del fluido refrigerante: i salti di temperatura vengono valutati a partire dai seguenti valori: n aria : 40 °C n acqua in ingresso : 25° C n idrogeno alluscita dello scambiatore di calore: 40 °C

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