Modelado Trmico de TransformadoresIng. lvaro Portillo
[email protected]. lvaro Portillo Transformer ConsultantCIGRE
Working Group A2.382008-2014Transformer Thermal ModellingTechnical
Brochure se publicar en 20152Modelado Trmico de
TransformadoresHistricamente el clculo trmico de los
transformadores se ha realizado sin considerar los fenmenos
hidrulicos que estn indisolublemente ligados a todo fenmeno de
transferencia de calor por conveccin. Las temperaturas en el
transformador se determinanprincipalmente por la conveccin del
calor que depende de la velocidad del fluido. La velocidad del
fluido depende de su viscosidad la cual a su vez depende de la
temperatura del fluido.El objetivo de esta presentacin es mostrar
los fundamentosde una metodologa de clculo trmico de
transformadoresque considera la coexistencia de un circuito trmico
y un circuito hidrulico que deben resolverse en forma
conjunta.3Analoga CircuitalCircuitos Elctricos, Trmicos, Hidrulicos
y Magnticos4+ Leyes de Kirchhoff de Nodos y MallasEn general se
trata de circuitos no lineales yaque yEl Modelo Clsico para el
Clculo Trmico51) Circuito Trmico Interno Se calculan los gradientes
de temperatura entre las bobinas y el aceite que las rodea
(gradientes radiales) para ON.. y OD..Se estima su valor para
OD..2) Circuito Trmico Externo Se calcula el aumento de temperatura
sobre el ambiente del aceite medio en los radiadores (en funcin
nicamente de las prdidas totales y del rea de radiadores y
tanque)3) Se supone que la temperatura del aceite medio en las
bobinas es igual a la temperatura del aceite medio en los
radiadores para ON.. y OD..Se estima su valor para OF..4) Dado se
estima el aumento de temperatura sobre el ambiente del Top-Oil
(gradiente axial)5) Se estima la temperatura de Hot-Spot en cada
bobina (Prdidas Adicionales, Factor de Hot-Spot H)estimar implica
determinar valores de temperatura dependientes de la velocidad del
aceite sin resolver el problema hidrulico que permite determinar
con precisin dicha velocidadCB FAhDAHwEH2H1Hr6El Modelo Clsico para
el Clculo TrmicoGradiente Radial ON..( ) ( )HHVVVh d n rr dAh nn
nfdd a aAQ12212162 12+||.|
\|++((
+ ||.|
\|= AO 7El Modelo Clsico para el Clculo Trmico Radiadores -
ONANGradiente Axial - ONAN8 . 025 . 01(((((
|.|
\|+ += AOr e e t ttotOIL AVGSLS k S kPk5 . 0hPkntotOIL AVG OIL
TOPA+ AO = AOModelado Trmico de TransformadoresEl Modelado Trmico
exacto de Transformadores implica conocer con profundidad: Todos
los mecanismos de la Transferencia del Calor: Conduccin Conveccin
Natural y Forzada Radiacin El Modelado Matemtico de los Sistemas
Hidrulicos Las tcnicas del Clculo Numrico: Anlisis de Circuitos no
LinealesResolucin de circuitos Termo-Hidrulicos (THNM) Aplicacin
del Mtodo de Elementos FinitosCFD (Computational Fluids
Dyamics)Resolucin de las Ecuaciones de Navier-Stokes8La
Transferencia del Calor en un Transformador9Ou1u2u3u4u5uAMBuAuOuEl
calor se genera en el ncleo y en las bobinas y se transfiere por
conduccin hasta las superficies del ncleo y bobinas en contacto con
el aceite (tambinexiste generacin de calor en partes
metlicasestructurales como consecuencia del flujo magnticode
dispersin)Luego se transfiere por conveccin desde las paredes del
ncleo y de las bobinas al aceiteAl calentarse la densidad del
aceite baja y por lo tantocircula en forma ascendente en el
circuito trmicointerno (ncleo y bobinas)Luego ingresa a los
radiadores donde el aceite se enfra, su densidad aumentay por lo
tanto circula en forma descendente por el circuito trmico externoSe
forma as el circuito hidrulico del aceite que vincula el
circuitotrmico interno con el circuito trmico externoEn los
radiadores el calor se trasmite por conveccin desde el aceite a las
paredes internas de los radiadores, luego por conduccin atraviesa
las paredes de los radiadores y finalmente es disipado al aire
ambiente porconveccin y radiacin en paraleloVeremos ahora con ms
detalle los distintos sistemas de refrigeracinutilizados en los
transformadoresSistema de Refrigeracin ONAN10- - - - -+ + + =5 4 3
2 1m m m m m 0212= + + +Rdp dV dz g dp ( ) T = ( ) z T T = ( ) z =
Curva cerrada implica:0 = dp0212= dV 0 = + Rdp dz g 11Sistema de
Refrigeracin ONAN Efecto TermosifnM R Rp dz g p dz g dp A = = A =}
} } = = A P d g dz g pM 12Sistema de Refrigeracin ONAFLa nica
diferencia con el caso ONAN es el agregado de ventiladores
paramejorar la transferencia de calor por conveccin al ambiente en
lasuperficie exterior de los radiadoresLa circulacin de aire, que
en el caso ONAN es producida por termosifn,pasa a ser forzada
debido a la presencia de los ventiladores y el rgimende circulacin
del aire pasa a ser turbulento, lo cual debe ser tenido encuenta en
el clculo de las prdidas por friccin13Sistema de Refrigeracin ONAF
Montaje VentiladoresNunca se logra el 100% del rea de los
radiadores con soplado de ventiladoresEs una mezcla de ONAN y
ONAF14Sistema de Refrigeracin OFAFDiferencia entre Top-Oil en
Radiadores y en las BobinasBomba Axial Bomba CentrfugaRadiadores:
ONAN ONAF OFAF15T1T2T3AuT4ACEITE AIREPAREDAu2 = T3 T4Au1 = T1
T2Q|ONAN ONAFONAF OFAF +No se mejora demasiado agregando una bomba
en un transformador equipado con radiadoresPara transformadores
ONAN/ONAF/OFAF deben utilizarse bombas axiales16Intercambiadores
Compactos: OFAFAceite-Aire OFAF u ODAF Aceite-AguaOFWF u ODWFEn los
Intercambiadores Compactos la Bomba de Aceite es una necesidadNo
pueden funcionar sin bomba por su alta prdida de carga
interna17Sistema de Refrigeracin ODAFIf you cannot express
something numericallyyour knowledge is poor and insufficientSir
William Thomson(Lord Kelvin)1824-190718Gradientes Radiales y
Axiales19Ecuaciones Bsicas y Valores Tpicos20AceiteConveccin
Natural:Conveccin Forzada:Electrificacin
Electrosttica:AireRadiacin:Conveccin Natural:Conveccin Forzada:( )
( ) ( ) C m Sm CWh W PRADIAL22u A||.|
\|=26m CWh =26 5m CWa h =240 20m CWa h =2100 70m CWa h =2600
200m CWa h =smV 01 . 0 ~sma V 50 . 0 07 . 0 =sma V 00 . 1 75 .
0
