Refrigeração de máquinas elétricas

Refrigeração de máquinas elétricas

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Hilton Penha Silva – Depto. da Engenharia do Produto – WM Alex Sandro Barbosa Passos – Depto. de Pesquisa e Desenvolvimento do Produto – WMO

Tendo como objetivo o cálculo e otimização da refrigeração das máquinas elétricas girantes da WEG Máquinas, foi desenvolvido um método de cálculo da curva de perda de carga dos circuitos axiais de ventilação. Este método pressupõe a representação do circuito de ventilação de uma forma semelhante a dos circuitos elétricos. A maior dificuldade da solução do circuito está no fato de que as resistências de perda de carga, são funções não lineares e, as equações que relacionam as pressões com as vazões são também não lineares. O método desenvolvido baseia-se na associação das curvas das resistências de perda de carga, de tal forma que, uma vez obtida a curva de resistência de perda de carga total do circuito, o ponto de operação do ventilador pode ser facilmente obtido e daí as vazões individuais em cada trecho do circuito .

1. INTRODUÇÃO

As máquinas elétricas girantes de maior porte possuem, em geral, um circuito interno de ventilação, cujo objetivo é o de retirar o calor diretamente das partes ativas da máquina. Este circuito pode ser aberto ou fechado, de acordo com as características ambientais de operação da máquina e de acordo com o grau de proteção necessário. Nos casos das máquinas elétricas fechadas, muitas vezes é necessário ainda um trocador de calor que poderá ser um trocador ar-ar carcaça e tubos ou um trocador semelhante aos radiadores ar-água de automóveis. Caso não utilize trocador de calor, a máquina elétrica fechada poderá possuir aletas que facilitem a troca térmica com o ambiente. Dentre os diversos tipos de circuitos internos de refrigeração, tanto para máquinas fechadas, quanto para máquinas abertas, está o circuito axial. A figura 1 apresenta uma máquina elétrica fechada com trocador de calor ar-ar, cujo circuito interno de ventilação é do tipo axial. Nesta máquina, o ventilador interno localizado na sua parte dianteira, impulsiona o ar proveniente dos canais axiais do estator e do rotor transversalmente sobre os tubos do trocador de calor. O ar, após dois passes transversais sobre os tubos do trocador, entra novamente na carcaça da máquina, onde o fluxo Qtotal se divide:

- uma parte do ar caminha axialmente entre o estator e a carcaça (Qcae);

- outra parte caminha diretamente pelos canais axiais do estator (Qca1); - uma parte atravessa a cabeça de bobina traseira do estator (Qcabbt); - uma parte passa paralelamente à cabeça de bobina traseira do estator (Qpcabbt).

Fig. 1 – Representação de uma máquina com circuito interno axial de refrigeração.

Os fluxos de ar que passam, respectivamente, pelos canais axiais do estator (Qca1) e externamente ao estator (Qcae) se misturam na saída, para novamente se dividir:

- uma parte atravessa a cabeça de bobina dianteira

(Qcabbd); - a outra parte passa paralela à cabeça de bobina dianteira (Qpcabbd). O fluxos de ar que passaram através e paralelamente à cabeça de bobina traseira do estator, também se misturam para também novamente se dividir:

- uma parte passa pelo entreferro (Qdelta); - a outra parte passa pelos canais axiais do rotor

(Qca2). Finalmente, os fluxos nas saídas do rotor e da cabeça de bobina dianteira se unem para passar através do ventilador, fechando o ciclo de ventilação. Cada canal de passagem por onde escoa o fluxo de ar apresenta uma resistência a esse escoamento dada principalmente: - pelo atrito do ar com as superfícies dos canais;

- pela bruscas variações das dimensões dos canais de passagem do ar; - pelas mudanças forçadas na direção de escoamento do ar.

A queda de pressão que ocorre nos canais por onde circula o ar, devido às resistências ao escoamento, é chamada perda de carga. A perda de carga se altera com a alteração da velocidade de escoamento do ar (vazão).

circuito externo de refrigeração

Circuito interno de refrigeração

µ ρ Dv avisForça inérciadeForça .. cos_

O papel do ventilador no circuito de ventilação é o de fornecer energia ao ar sob a forma de pressão, de tal maneira que sejam vencidas as resistências à circulação do ar e que seja garantida uma vazão de ar mínima necessária. O trabalho de seleção do ventilador passa primeiramente pela determinação da curva de perda de carga total do sistema de ventilação (curva Pressão X Vazão). Após esta determinação, é necessário encontrar um ventilador, o qual possua uma curva característica Pressão X Vazão cuja interseção com a curva de perda de carga do sistema forneça a vazão adequada ao sistema de refrigeração.

2. CIRCUITO DE RESISTÊNCIAS DE PERDA DE CARGA EQUIVALENTE

O circuito físico de ventilação da figura 1 pode ser substituído por um circuito equivalente semelhante a um circuito elétrico, composto por resistências de perda de carga. A figura 2 mostra o circuito das resistências de perda de carga equivalente ao circuito físico da figura 1. Na figura 2 cada uma das resistências encontra-se representada de forma simplificada e têm os seguintes significados:

- Rtroc é a resistência de perda de carga do trocador de calor;

- Rcae é a resistência de perda de carga nos canais axiais entre o estator e a carcaça;

- Rca1 é a resistência de perda de carga nos canais axiais do estator;

- Rcabbd é a resistência de perda de carga através da cabeça de bobina dianteira do estator;

- Rpcabbd é a resistência de perda de carga na região paralela à cabeça de bobina dianteira do estator;

- Rcabbt é a resistência de perda de carga através da cabeça de bobina traseira do estator;

- Rpcabbd é a resistência de perda de carga na região paralela à cabeça de bobina traseira do estator;

- Rca2 é a resistência de perda de carga nos canais axiais do rotor;

- Rdelta é a resistência de perda de carga no entreferro;

Fig. 2 – Circuito das resistências de perdas de carga equivalente.

Na realidade, cada uma dessas resistências é composta das associações das resistências devido a cada um dos fatores mencionados anteriormente. Por exemplo, a resistência Rcae é composta pela soma da resistência de atrito na superfície interna dos canais axiais entre o estator e carcaça, com as resistências devido às contrações e expansões bruscas que ocorrem na entrada e saída dos canais, respectivamente.

3. RESISTÊNCIAS DE PERDA DE CARGA POR ATRITO

Para obter uma expressão da resistência de perda de carga devido ao atrito de um fluido com as paredes é necessário uma análise do tipo de escoamento: - o escoamento laminar caracteriza-se por possuir uma boa ordenação do movimento macroscópico das camadas fluidas, sendo dominado pelas chamadas forças viscosas; - no escoamento turbulento prevalecem as forças de inércia e é caracterizado pela irregularidade no movimento das partículas de fluido, formando redemoinhos e flutuações locais de velocidade.

A razão entre as forças de inércia e as forças viscosas para uma dada situação de escoamento interno em um duto é relacionada através de um número a dimensional chamado Número de Reynolds [1], definido por :

onde:

- ρ é a massa específica do fluido - v é a velocidade média de escoamento do fluido

- D é o diâmetro hidráulico equivalente do duto;

- µ é a viscosidade dinâmica do fluido.

Para escoamentos internos em dutos, existem gráficos obtidos experimentalmente [1] relacionando o Número de Reynolds à rugosidade relativa das superfícies internas dos dutos. A função experimental que relaciona essas duas grandezas é chamada fator de atrito. O tipo de escoamento altera-se de acordo com a velocidade do fluido. Para Números de Reynolds abaixo de 2000, o escoamento é laminar e o fator de atrito f pode ser expresso analiticamente por:

Para Números de Reynolds acima de 4000 o escoamento é considerado turbulento e o fator de atrito pode ser expresso analiticamente, com boa precisão, por:

L f vL fPr

L QfQR

QKv KP L ==∆

1QRQRPAC +=∆

onde εr é a rugosidade relativa da superfície interna do duto.

A região de Número de Reynolds entre 2000 e 4000 é dita região de transição, pois nela ocorre a transição entre o regime laminar e o turbulento. Apesar das incertezas, uma boa aproximação é fazer uma interpolação do fator de atrito entre o valor para o

Número de Reynolds igual a 2000, f2000 e para o Número de Reynolds igual a 4000, f4000:

A perda de carga devido ao atrito entre o fluido e superfície de escoamento pode ser expressa por:

onde: - L é o comprimento do duto

- A é a área transversal de escoamento;

- Q é a vazão do fluido.

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