Estudio teórico de la transferencia térmica en transformadores

Abstract

El presente trabajo ha sido realizado teniendo como tema principal el análisis del aspecto térmico de los transformadores eléctricos y la importancia que tiene el conocimiento de la generación, transferencia y disipación del calor en sus diversas partes estructurales. El tema ha sido enfocado tomando como primer aspecto de estudio la generación del calor, que es debida como se sabe a la transformación de las diversas formas de energía no utilizada o pérdida de un transformador en calor. Es así que se ha dedicado la primera parte de este trabajo al estudio detallado de las pérdidas de energía en las diversas partes constituyentes de los transformadores, dando preferencia a las partes fundamentales (núcleo y arrollamientos) y tratado también lo relacionado con las pérdidas en las partes complementarias. El estudio de las pérdidas en el núcleo se ha separado en dos partes, tratando primero las " Pérdidas por Histéresis " y luego las "Pérdidas por corrientes de Foucault ". Se ha incidido explícitamente en lo relacionado en forma directa con los transformadores eléctricos pues por ejemplo no se ha tratado las Pérdidas por Histéresis Rotatoria " debido a que estas se originen debido a la variación no solo de magnitud sino también de dirección del flujo magnético, lo que justamente no sucede en un transformador donde la variación del flujo es solo de magnitud a lo largo de un eje fijo. También vale mencionar que al tratar las pérdidas por corrientes de Foucault no se ha considerado el fenómeno conocido como "efecto pelicular" por razones de orden práctico. Todo lo relacionado con el origen de las expresiones matemáticas ha sido tratado con el mayor detalle posible en los casos donde era necesario. Las pérdidas en los arrollamientos o bobinas han sido estudiadas en la forma ya conocida de considerar primordialmente a las pérdidas dinámicas y tomando luego en cuenta en este caso a las pérdidas por efecto pelicular. Luego de considerar brevemente el aspecto de las pérdidas donde se ha explicado el efecto que tiene la temperatura en las pérdidas por cargas finalizando de ese modo el estudio general de las pérdidas en un transformador. El segundo aspecto fundamental de este estudio teórico está relacionado con el análisis del calor generado debido a las pérdidas y su disipación en diversas etapas y por diversas formas. Se ha hecho primero una introducción considerando el desarrollo histórico del problema térmico de los transformadores mencionando los logros y conclusiones que se hacían de parte de instituciones especializadas que han publicado permanentemente los resultados de sus investigaciones en torno al efecto de la temperatura sobre el aislante y el aceite y los estándares de que han fijado debido en estos aspectos. Se menciona además la clasificación de transformadores de acuerdo al método de enfriamiento utilizado y se hace la descripción breve de cada tipo. Se trata luego el aspecto fundamental de esta segunda parte o sea el estudio de los tipos de transferencia de calor que existen. Cada uno de ellos está analizado por separado y en forma detallada tanto en la parte matemática como en las consideraciones empíricas. Se han expuesto la mayoría de las f􀆮as conocidas Para la conducción, radiación y convección y también se ha explicado la importancia que tienen determinados factores especiales en la y transferencia de calor. El aspecto final del trabajo presente es el relacionado con las consideraciones térmicas necesarias para el diseño de un transformador. En esta parte se empieza tratando el método general de cálculo para las caídas de temperatura en las diversas etapas que sigue el flujo de calor desde los elementos calefactores hasta el medio exterior. Es así que en primer término se considera el flujo de calor desde el cobre a través del aislamiento y las fórmulas usadas en esta parte luego el flujo de calor de la superficie de la bobina al medio refrigerante en sus dos formas (convección natural y convección forzada) haciendo las consideraciones del caso. Finalmente se trata la transmisión del calor del medio refrigerante al medio exterior para lo cual se analiza detenidamente y por separado algunos aspectos de esta etapa como los efectos del flujo del líquido sobre la temperatura, la relación entre el flujo de calor y el flujo de aceite y la determinación por medios empíricos del flujo de termosifón y la temperatura de distribución. Se considera además el problema de los radiadores y tubos refrigerantes, así como el caso de la circulación de aceite por medio de bombas. Se expone también las fórmulas usadas para el cálculo de las temperaturas necesarias y el método usado. Las conclusiones inciden fundamentalmente en el aspecto de las consideraciones empíricas que me hacen al tratar el problema térmico de los transformadores y la importancia que tienen, ya que es el aspecto más discutible.