Resfriamento de um Gerador Síncrono

Resfriamento de Geradores Síncronos: Métodos, Vantagens e Limitações

Importância do Resfriamento

O resfriamento é um aspecto crítico da operação de geradores síncronos. Mecanismos de resfriamento natural são insuficientes para dissipar a grande quantidade de calor gerada dentro dos alternadores. Para resolver isso, são utilizados sistemas de resfriamento forçado por ar. Nesses sistemas, o ar é ativamente empurrado para dentro do alternador, garantindo que um volume maior de ar passe sobre suas superfícies, removendo efetivamente uma quantidade significativa de calor. Um sistema de ventilação em circuito fechado é particularmente eficaz para melhorar o resfriamento de geradores síncronos. Nesta configuração, o ar quente e limpo do alternador é resfriado por um trocador de calor refrigerado a água e, em seguida, circulado de volta através do alternador usando ventiladores.

Para maximizar a área de superfície em contato com o ar de resfriamento, dutos são incorporados nos núcleos do estator e rotor, bem como nas bobinas de campo do gerador. Esses dutos podem ser configurados em direção radial ou axial, dependendo do padrão de fluxo de ar desejado.

Sistema de Ventilação de Fluxo Radial

Descrição

Em um sistema de ventilação de fluxo radial, o ar de resfriamento entra nos dutos através da fenda no estator e flui radialmente em direção à parte traseira do estator, de onde é posteriormente removido.

Vantagens

• Baixa Perda de Energia: A energia necessária para a ventilação é minimizada, contribuindo para a eficiência geral.

• Versatilidade: Este sistema pode ser aplicado a máquinas pequenas e grandes, tornando-o uma opção flexível para diferentes tamanhos de geradores.

Limitações

Tamanho e Compactação: A presença de dutos de ventilação, que podem ocupar aproximadamente 20% do comprimento do armadura, torna a máquina menos compacta.

Dissipação de Calor: Em comparação com outros sistemas de resfriamento, o sistema de fluxo radial oferece uma dissipação de calor relativamente menor. Em alguns casos, a estabilidade do sistema pode ser comprometida devido às flutuações no volume de ar de resfriamento que flui através da máquina.

Sistema de Ventilação de Fluxo Axial

Descrição

Neste método, o ar é forçado a fluir axialmente através de passagens criadas por orifícios no estator e rotor.

Desempenho e Limitações

O sistema de ventilação de fluxo axial é altamente eficaz, exceto para máquinas com comprimentos axiais significativos. Uma de suas principais desvantagens é a transferência de calor não uniforme. A seção de saída de ar da máquina tende a receber menos resfriamento, pois o ar aquece ao viajar através dos dutos axiais.

Ventilação Circunferencial

Descrição

Na ventilação circunferencial, o ar é fornecido em um ou mais pontos na periferia externa do núcleo do estator e, em seguida, forçado a fluir circunferencialmente através dos dutos entre as laminas até as saídas designadas. Este método permite um aumento na área dos dutos.

Combinações e Considerações

Em certos casos, a ventilação circunferencial é combinada com o sistema de fluxo radial. No entanto, deve-se ter cuidado para evitar interferências entre as duas correntes de ar. Para prevenir tal interferência, as superfícies externas dos dutos radiais alternados geralmente são fechadas.

Requisitos do Ar de Resfriamento

Para um resfriamento eficaz, o ar usado deve ser limpo e livre de poeira. Partículas de poeira podem obstruir os dutos, reduzindo sua seção transversal e, consequentemente, diminuindo a eficiência da transferência de calor por condução. Para garantir o ar limpo, filtros de ar e filtros de gaze são comumente usados. Em algumas situações, o ar é lavado em uma câmara de spray. Além disso, na maioria dos casos, o ar é resfriado por resfriadores a água e, em seguida, recirculado para reutilização.

Limitações do Resfriamento a Ar

Equipamentos e Custo: Para máquinas de grande capacidade, os ventiladores necessários para circular o ar tornam-se maiores e consomem quantidades significativas de energia. Isso requer o uso de equipamentos auxiliares, que podem ser caros.

Restrições de Capacidade: Existe uma classificação ótima para máquinas além da qual o resfriamento a ar não é mais suficiente para manter a temperatura dentro dos limites operacionais seguros.

Resfriamento a Hidrogênio de Geradores Síncronos

Em um sistema de resfriamento a hidrogênio, o gás hidrogênio serve como meio de resfriamento. Uma exploração mais aprofundada deste método pode ser encontrada no artigo "Resfriamento a Hidrogênio de Geradores Síncronos."

Resfriamento Direto a Água em Geradores Síncronos

Aplicação

O resfriamento a hidrogênio revela-se inadequado para extrair calor de turboalternadores de grande capacidade, com potências de 500 MW ou mais. O grande volume de gás hidrogênio necessário para essas máquinas pode tornar seu uso economicamente inviável. Nestes casos, é empregado o resfriamento direto a água. Em turbo-geradores muito grandes, os rotores são frequentemente resfriados por hidrogênio, enquanto as bobinas do estator são resfriadas por água desmineralizada. A água é circulada usando uma bomba centrífuga acionada por motor AC, e filtros de cartucho são usados para remover impurezas. Esses filtros são projetados especificamente para impedir que partículas corrosivas metálicas geradas nas bobinas e tubulações entrem nos condutores ocos das bobinas.

Vantagens sobre o Resfriamento a Hidrogênio

• Eficiência: Os sistemas resfriados a água são mais rápidos e eficientes devido à maior condutividade térmica da água em comparação com o hidrogênio.

• Otimização de Espaço: A menor área de duto necessária para a água permite mais espaço para acomodar condutores nas ranhuras, otimizando o design do gerador.

Desvantagens

• Requisito de Purificação: A água usada para resfriamento deve ser altamente purificada para evitar um aumento em sua condutividade, o que poderia levar a problemas elétricos.

• Custo: O resfriamento a água é geralmente mais caro que o resfriamento a hidrogênio, tornando-o uma opção mais cara para o resfriamento de geradores.

Em resumo, o resfriamento de geradores síncronos envolve uma variedade de métodos, cada um com seu próprio conjunto de vantagens e limitações. A seleção do método de resfriamento apropriado depende de fatores como o tamanho, a capacidade e os requisitos operacionais do gerador.