Enfriamiento de un Generador Síncrono

Enfriamiento de generadores síncronos: Métodos, ventajas y limitaciones

Importancia del enfriamiento

El enfriamiento es un aspecto crítico en la operación de los generadores síncronos. Los mecanismos de enfriamiento natural son insuficientes para disipar la cantidad considerable de calor generada dentro de los alternadores. Para abordar esto, se utilizan sistemas de enfriamiento forzado por aire. En estos sistemas, el aire se empuja activamente hacia el alternador, asegurando que un volumen mayor de aire pase sobre sus superficies, eliminando así una cantidad significativa de calor. Un sistema de ventilación de circuito cerrado es particularmente eficaz para mejorar el enfriamiento de los generadores síncronos. En este sistema, el aire caliente y limpio del alternador se enfría mediante un intercambiador de calor refrigerado por agua y luego se circula de nuevo a través del alternador utilizando ventiladores.

Para maximizar la superficie en contacto con el aire de enfriamiento, se incorporan conductos en los núcleos del estator y del rotor, así como en las bobinas de campo del generador. Estos conductos pueden configurarse en dirección radial o axial, dependiendo del patrón de flujo de aire deseado.

Sistema de ventilación de flujo radial

Descripción

En un sistema de ventilación de flujo radial, el aire de enfriamiento ingresa a los conductos a través del espacio aéreo en el estator y fluye radialmente hacia la parte posterior del estator, desde donde se extrae posteriormente.

Ventajas

• Baja pérdida de energía: La energía requerida para la ventilación se minimiza, contribuyendo a la eficiencia general.

• Versatilidad: Este sistema puede aplicarse tanto a máquinas pequeñas como grandes, lo que lo convierte en una opción flexible para diferentes tamaños de generadores.

Limitaciones

Tamaño y compacidad: La presencia de conductos de ventilación, que pueden ocupar aproximadamente el 20% de la longitud del armadura, hace que la máquina sea menos compacta.

Disipación de calor: En comparación con otros sistemas de enfriamiento, el sistema de flujo radial ofrece una disipación de calor relativamente menor. En algunos casos, la estabilidad del sistema puede verse comprometida debido a las fluctuaciones en el volumen de aire de enfriamiento que fluye a través de la máquina.

Sistema de ventilación de flujo axial

Descripción

En este método, el aire se fuerza a fluir axialmente a través de pasajes creados por orificios en el estator y el rotor.

Rendimiento y limitaciones

El sistema de ventilación de flujo axial es altamente efectivo, excepto para máquinas con longitudes axiales significativas. Una de sus principales desventajas es la transferencia de calor no uniforme. La sección de salida de aire de la máquina tiende a recibir menos enfriamiento porque el aire se calienta a medida que viaja a través de los conductos axiales.

Ventilación circunferencial

Descripción

En la ventilación circunferencial, el aire se suministra en uno o más puntos en la periferia externa del núcleo del estator y luego se fuerza a fluir circunferencialmente a través de los conductos entre las laminaciones hasta las salidas designadas. Este método permite aumentar el área de los conductos.

Combinaciones y consideraciones

En ciertos casos, la ventilación circunferencial se combina con el sistema de flujo radial. Sin embargo, se debe tener cuidado para evitar interferencias entre los dos flujos de aire. Para prevenir tales interferencias, las superficies externas de los conductos radiales alternados suelen estar cerradas.

Requisitos del aire de enfriamiento

Para un enfriamiento efectivo, el aire utilizado debe ser limpio y libre de polvo. Las partículas de polvo pueden obstruir los conductos, reduciendo su área transversal y, consecuentemente, disminuyendo la eficiencia de la transferencia de calor por conducción. Para garantizar un aire limpio, se utilizan comúnmente filtros de aire y filtros de gasa. En algunas situaciones, el aire se lava en una cámara de aspersión. Además, en la mayoría de los casos, el aire se enfría mediante enfriadores de agua y luego se recircula para su reutilización.

Limitaciones del enfriamiento por aire

Equipo y costo: Para máquinas de gran capacidad, los ventiladores requeridos para circular el aire se vuelven más grandes y consumen cantidades significativas de energía. Esto requiere el uso de equipos auxiliares, que pueden ser costosos.

Restricciones de capacidad: Existe una potencia óptima para las máquinas, más allá de la cual el enfriamiento por aire ya no es suficiente para mantener la temperatura dentro de los límites de funcionamiento seguros.

Enfriamiento con hidrógeno de generadores síncronos

En un sistema de enfriamiento con hidrógeno, el gas hidrógeno sirve como medio de enfriamiento. Un análisis más profundo de este método se puede encontrar en el artículo "Enfriamiento con hidrógeno de generadores síncronos."

Enfriamiento directo con agua en generadores síncronos

Aplicación

El enfriamiento con hidrógeno resulta inadecuado para extraer calor de turbogeneradores de gran capacidad, con potencias de 500 MW o más. El gran volumen de gas hidrógeno requerido para estas máquinas puede hacer que su uso sea económicamente inviable. En estos casos, se emplea el enfriamiento directo con agua. En turbogeneradores muy grandes, los rotores a menudo se enfrían con hidrógeno, mientras que las bobinas del estator se enfrían con agua desmineralizada. El agua se circula utilizando una bomba centrífuga accionada por un motor de corriente alterna, y se utilizan filtros de cartucho para eliminar impurezas. Estos filtros están diseñados específicamente para prevenir que las partículas corrosivas metálicas generadas en las bobinas y tuberías entren en los conductores huecos de las bobinas.

Ventajas sobre el enfriamiento con hidrógeno

• Eficiencia: Los sistemas de enfriamiento con agua son más rápidos y eficientes debido a la mayor conductividad térmica del agua en comparación con el hidrógeno.

• Optimización del espacio: El área de conductos más pequeña requerida para el agua permite disponer de más espacio para alojar los conductores en las ranuras, optimizando el diseño del generador.

Desventajas

• Requisito de purificación: El agua utilizada para el enfriamiento debe estar altamente purificada para evitar un aumento en su conductividad, lo que podría provocar problemas eléctricos.

• Costo: El enfriamiento con agua es generalmente más costoso que el enfriamiento con hidrógeno, lo que lo convierte en una opción más cara para el enfriamiento de generadores.

En resumen, el enfriamiento de los generadores síncronos involucra una variedad de métodos, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. La selección del método de enfriamiento adecuado depende de factores como el tamaño, la capacidad y los requisitos operativos del generador.