Raffreddamento di un Generatore Sincrono

Raffreddamento dei Generatori Sincroni: Metodi, Vantaggi e Limiti

Importanza del Raffreddamento

Il raffreddamento è un aspetto critico nell'operazione dei generatori sincroni. I meccanismi di raffreddamento naturale sono insufficienti per dissipare la quantità significativa di calore generata all'interno degli alternatori. Per affrontare questo problema, vengono utilizzati sistemi di raffreddamento forzato ad aria. In tali sistemi, l'aria viene attivamente spinta nell'alternatore, garantendo che una maggiore quantità di aria passi sulle sue superfici, rimuovendo efficacemente una quantità significativa di calore. Un sistema di ventilazione a circuito chiuso è particolarmente efficace per migliorare il raffreddamento dei generatori sincroni. In questa configurazione, l'aria calda e pulita proveniente dall'alternatore viene raffreddata da uno scambiatore di calore ad acqua e poi ricircolata attraverso l'alternatore utilizzando ventilatori.

Per massimizzare la superficie in contatto con l'aria di raffreddamento, i condotti vengono incorporati nei nuclei statorico e rotore, nonché nelle spire del campo del generatore. Questi condotti possono essere configurati in direzione radiale o assiale, a seconda del pattern di flusso d'aria desiderato.

Sistema di Ventilazione a Flusso Radiale

Descrizione

In un sistema di ventilazione a flusso radiale, l'aria di raffreddamento entra nei condotti attraverso lo spazio tra stator e rotore e fluisce radialmente verso la parte posteriore dello stator, da dove viene successivamente rimossa.

Vantaggi

• Basso Consumo Energetico: L'energia richiesta per la ventilazione è minimizzata, contribuendo all'efficienza complessiva.

• Versatilità: Questo sistema può essere applicato sia a macchine piccole che grandi, rendendolo un'opzione flessibile per generatori di diverse dimensioni.

Limiti

Dimensioni e Compacità: La presenza di condotti di ventilazione, che possono occupare circa il 20% della lunghezza dell'armatura, rende la macchina meno compatta.

Dissipazione del Calore: Rispetto ad altri sistemi di raffreddamento, il sistema a flusso radiale offre una dissipazione del calore relativamente inferiore. In alcuni casi, la stabilità del sistema può essere compromessa a causa delle fluttuazioni nel volume di aria di raffreddamento che fluisce attraverso la macchina.

Sistema di Ventilazione a Flusso Assiale

Descrizione

In questo metodo, l'aria viene forzata a fluire assialmente attraverso passaggi creati da fori nello stator e nel rotore.

Prestazioni e Limiti

Il sistema di ventilazione a flusso assiale è altamente efficace, eccetto per macchine con lunghezze assiali significative. Uno dei suoi principali svantaggi è il trasferimento di calore non uniforme. La sezione di uscita dell'aria della macchina tende a ricevere meno raffreddamento perché l'aria si riscalda man mano che viaggia attraverso i condotti assiali.

Ventilazione Circolare

Descrizione

Nella ventilazione circolare, l'aria viene fornita in uno o più punti sulla periferia esterna del nucleo dello stator e poi forzata a fluire circolarmente attraverso i condotti tra le lamelle fino agli uscite designate. Questo metodo permette di aumentare l'area dei condotti.

Combinazioni e Considerazioni

In alcuni casi, la ventilazione circolare viene combinata con il sistema a flusso radiale. Tuttavia, bisogna fare attenzione a evitare interferenze tra i due flussi d'aria. Per prevenire tali interferenze, le superfici esterne dei condotti radiali alternati sono solitamente chiuse.

Requisiti dell'Aria di Raffreddamento

Per un raffreddamento efficace, l'aria utilizzata deve essere pulita e priva di polvere. Le particelle di polvere possono ostruire i condotti, riducendo la loro sezione trasversale e, conseguentemente, diminuendo l'efficienza del trasferimento di calore per conduzione. Per garantire aria pulita, vengono comunemente utilizzati filtri d'aria e filtri in tela. In alcune situazioni, l'aria viene lavata in una camera di spruzzo. Inoltre, nella maggior parte dei casi, l'aria viene raffreddata da scambiatori di calore ad acqua e poi ricircolata per un riutilizzo.

Limiti del Raffreddamento ad Aria

Equipaggiamento e Costi: Per macchine di grande capacità, i ventilatori necessari per far circolare l'aria diventano più grandi e consumano una quantità significativa di energia. Ciò richiede l'uso di equipaggiamenti ausiliari, che possono essere costosi.

Vincoli di Capacità: Esiste un rating ottimale al di sopra del quale il raffreddamento ad aria non è più sufficiente per mantenere la temperatura entro limiti operativi sicuri.

Raffreddamento a Idrogeno dei Generatori Sincroni

In un sistema raffreddato a idrogeno, il gas idrogeno serve come mezzo di raffreddamento. Un'esplorazione più approfondita di questo metodo può essere trovata nell'articolo "Raffreddamento a Idrogeno dei Generatori Sincroni."

Raffreddamento Diretto ad Acqua nei Generatori Sincroni

Applicazione

Il raffreddamento a idrogeno risulta inadeguato per l'estrazione di calore da grandi turbo-alternatori con capacità di 500 MW o superiori. Il grande volume di gas idrogeno richiesto per tali macchine può renderne l'uso economicamente inviabile. In questi casi, viene impiegato il raffreddamento diretto ad acqua. Nei turbo-generatori molto grandi, i rotori vengono spesso raffreddati a idrogeno, mentre le spire dello stator vengono raffreddate con acqua demineralizzata. L'acqua viene circolata utilizzando una pompa centrifuga azionata da motore AC, e vengono utilizzati filtri a cartuccia per rimuovere le impurità. Questi filtri sono progettati specificamente per prevenire che le particelle corrosive metalliche generate nelle spire e nelle tubazioni entrino nei conduttori cavi delle spire.

Vantaggi rispetto al Raffreddamento a Idrogeno

• Efficienza: I sistemi raffreddati ad acqua sono più veloci ed efficienti a causa della maggiore conducibilità termica dell'acqua rispetto all'idrogeno.

• Ottimizzazione dello Spazio: L'area minore dei condotti richiesta per l'acqua consente di avere più spazio per accogliere i conduttori nelle scanalature, ottimizzando la progettazione del generatore.

Svantaggi

• Richiesta di Purificazione: L'acqua utilizzata per il raffreddamento deve essere altamente purificata per prevenire un aumento della sua conducibilità, che potrebbe portare a problemi elettrici.

• Costo: Il raffreddamento ad acqua è generalmente più costoso del raffreddamento a idrogeno, rendendolo un'opzione più costosa per il raffreddamento del generatore.

In sintesi, il raffreddamento dei generatori sincroni coinvolge una serie di metodi, ognuno con i propri vantaggi e limiti. La scelta del metodo di raffreddamento appropriato dipende da fattori come le dimensioni, la capacità e i requisiti operativi del generatore.