SCHEMI DI RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ROTANTI Anche per le macchine rotanti valgono le considerazioni relative alla dipendenza dal fattore di scala di perdite e superficie di scambio termico con l’ambiente. Passando quindi a potenze, e dimensioni, via via maggiori è necessario aumentare l’efficacia 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. Normalmente si usano ventilatori coassiali centrifughi od assiali.

Fondamentalmente, per il raffreddamento con aria soffiata si hanno due possibili configurazioni: Circuito aperto: l’aria fredda viene prelevata dall’ambiente e l’aria calda viene restituita all’ambiente. Sono necessari filtri e silenziatori per attenuare il rumore ed evitare accumulo di polvere nella macchina. Circuito chiuso: l’aria 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 l’unica possibile se il fluido di raffreddamento è diverso dall’aria, ad es. idrogeno. 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.

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

Ventilazione Assiale per macchine di piccola potenza Il ventilatore è calettato sull’albero, si predispongono dei deviatori per inviare l’aria sulle testate degli avvolgimenti o della gabbia. Per macchine di piccola potenza. L’aria si scalda man mano che attraversa la macchina ed il picco di riscaldamento dell’aria si ha in prossimità della uscita dal pacco. Non va bene per macchine lunghe CIRCUITO APERTO

Ventilazione sul mantello (piccola potenza) Il ventilatore è assiale ma fuori dalle parti attive. La ventola invia l’aria sul mantello esterno che è provvisto di alettatura per aumentare la superficie di scambio termico E’ una soluzione per piccoli motori (P<100 kW) La carcassa è fusa solo per grandi serie di produzione (P<10kW e produzioni di 10000--20000 pezzi) perché lo stampo è costoso. Negli altri casi, le alette vengono saldate sulla carcassa.

Raffreddamento di motori di piccola potenza alette di ventilazione ventola

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

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

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

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

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

Raffreddamento a ciclo chiuso REFRIGERANTE 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 l’aria sulle parti attive

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

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

Vista in Interno

Vista in Esterno

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

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

RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ELETTRICHE DI GRANDE POTENZA Per turboalternatori di potenza maggiore di 100 MVA si adotta l’idrogeno 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. 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.

CONSUMO INDICATIVO DI H2 PER GRANDI TURBOALTERNATORI (UNA BOMBOLA CONTIENE 6 NORMAL m3 DI H2)

Il riempimento di idrogeno viene di regola fatto con un riempimento intermedio di CO2 per evitare la formazione di miscele esplosive, Nel caso di raffreddamento diretto con acqua le zone (o le semizone) di statore sono raffreddate in parallelo. In tal caso deve essere quindi previsto un impianto demineralizzatore per mantenere sempre ad un livello adeguato la resistività dell’acqua. Tale impianto, costituito da un deionizzatore a letto misto, utilizza resine a scambio ionico che entrano in azione quando la conducibilità dell’acqua supera un limite prestabilito.

ESAME COMPARATIVO, RIFERITO ALL’ARIA DELLE CARATTERISTICHE DEI PRINCIPALI FLUIDI DI RAFFREDDAMENTO

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

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

fori di adduzione dell’acqua di raffreddamento Conduttori attivi di statore raffreddati ad acqua bietta isolamento fori di adduzione dell’acqua di raffreddamento

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

INNESTI

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

Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. 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] Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. contenuto termico specifico Asp = d · cp Portata volumetrica specifica

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 c = 1009 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 1,2 kg/m3 k = 0,025 W/°C m ;  = 0,185 10-4 kg/s aria 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) idrogeno

RAFFREDDAMENTO E LA VENTILAZIONE DELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI Per il raffreddamento e la ventilazione delle macchine elettriche ed in particolare delle macchine rotanti, ci si avvale della circolazione di fluidi di raffreddamento all’interno delle varie parti che compongono la macchina. I fluidi maggiormente usati sono: GAS LIQUIDI Aria A Acqua W Idrogeno H Olio U Azoto N CO2 C Il fluido primario, circolando all’interno della macchina ne asporta il calore derivante dalle perdite generate nelle parti attive.

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

NORME SUL TIPO DI RAFFREDDAMENTO DELLE MACCHINE ROTANTI I metodi di raffreddamento delle macchine elettriche rotanti sono classificati dalla norma: CEI 2-7/97- IEC 34 - 6 (IC CODE I° e II°) Il codice IC tipo I° semplificato si riferisce solamente all’aria ed è costituito dal codice IC seguito da due cifre caratteristiche La prima indica la disposizione del circuito di raffreddamento La seconda la modalità con cui è fornita la potenza necessaria alla circolazione del fluido di raffreddamento quando la seconda cifra è 1 (autocircolazione con dispositivo per muovere il fluido di raffreddamento montato sull’albero della macchina), tale cifra può essere omessa

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

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

Per Macchine Raffreddate ad Idrogeno con Potenze Nominali > 500 kVA

Per Macchine Raffreddate ad Aria

Per Macchine Raffreddate ad Aria (cont.)

Per Macchine Raffreddate ad Aria con parti attive raffreddate direttamente

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

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