transfer caldura

45
TRANSFERUL DE CĂLDURĂ 1. MODURILE FUNDAMENTALE DE TRANSFER DE CĂLDURĂ Transferul de căldură se referă la procesele ireversibile ale propagării căldurii în spaţiu ca urmare a schimbului de energie termică între două corpuri, două regiuni ale aceluiaşi corp sau două fluide, ca rezultat al unei diferenţe de temperatură între acestea. Scopul studiului transferului de căldură este determinarea cantităţii de căldură schimbată în unitatea de timp în condiţii date de temperatură şi verificarea compatibilităţii materialelor folosite în construirea echipamentelor şi instalaţiilor, cu regimul de temperaturi la care sunt supuse. Transferul de căldură, respectând cele două principii ale termodinamicii, se realizează în trei moduri: prin conducţie, prin convecţie şi prin radiaţie. Aceste moduri pot exista separat sau, cel mai adesea, combinate, în procese complexe de schimb de căldură. 1. Conducţia termică este procesul de transfer al căldurii dintr-o regiune cu temperatură mai ridicată către o regiune cu temperatură mai coborâtă în interiorul unui mediu solid, lichid sau gazos, sau între medii diferite în contact fizic direct, sub influenţa unei diferenţe de temperatură, fără existenţa unei deplasări aparente a particulelor care alcătuiesc mediile respective. 2. Convecţia termică reprezintă procesul de transfer al căldurii prin acţiunea combinată a conducţiei termice, a acumulării de energie internă şi a mişcării de amestec. Convecţia este cel mai important mecanism de schimb de căldură între o suprafaţă solidă şi un fluid (lichid sau gaz), între care există contact direct şi mişcare relativă. Fenomenul convecţiei este întotdeauna însoţit de conducţie (în fluide poate exista conducţie practic fără convecţie, dacă volumul de fluid este foarte mic - material poros, de exemplu) şi de radiaţie (cu rare excepţii în cazul fluidelor opace, ca mercurul, de exemplu). Convecţia termică este un fenomen foarte complicat, în general neliniar (de regulă este însoţit de turbulenţă), care se poate studia prin metodele similitudinii şi analogiei. 3. Radiaţia termică este procesul prin care căldura este transferată de la un corp cu temperatura ridicată la un corp cu temperatura coborâtă, corpurile fiind separate în spaţiu. Schimbul de căldură prin radiaţie se datorează naturii electromagnetice a energiei transferate sub formă de cuante de energie. Procesele de transfer de căldură sunt procese complexe, în care apar simultan două sau trei din modurile fundamentale de căldură. 1

Upload: costelboariu

Post on 01-Jul-2015

3.165 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

Page 1: transfer caldura

TRANSFERUL DE CĂLDURĂ

1 MODURILE FUNDAMENTALE DE TRANSFER DE CĂLDURĂ

Transferul de căldură se referă la procesele ireversibile ale propagării căldurii icircn spaţiu

ca urmare a schimbului de energie termică icircntre două corpuri două regiuni ale aceluiaşi corp

sau două fluide ca rezultat al unei diferenţe de temperatură icircntre acestea Scopul studiului

transferului de căldură este determinarea cantităţii de căldură schimbată icircn unitatea de timp icircn

condiţii date de temperatură şi verificarea compatibilităţii materialelor folosite icircn construirea

echipamentelor şi instalaţiilor cu regimul de temperaturi la care sunt supuse

Transferul de căldură respectacircnd cele două principii ale termodinamicii se realizează

icircn trei moduri prin conducţie prin convecţie şi prin radiaţie Aceste moduri pot exista separat

sau cel mai adesea combinate icircn procese complexe de schimb de căldură

1 Conducţia termică este procesul de transfer al căldurii dintr-o regiune cu

temperatură mai ridicată către o regiune cu temperatură mai coboracirctă icircn

interiorul unui mediu solid lichid sau gazos sau icircntre medii diferite icircn contact

fizic direct sub influenţa unei diferenţe de temperatură fără existenţa unei

deplasări aparente a particulelor care alcătuiesc mediile respective

2 Convecţia termică reprezintă procesul de transfer al căldurii prin acţiunea

combinată a conducţiei termice a acumulării de energie internă şi a mişcării de

amestec Convecţia este cel mai important mecanism de schimb de căldură

icircntre o suprafaţă solidă şi un fluid (lichid sau gaz) icircntre care există contact

direct şi mişcare relativă Fenomenul convecţiei este icircntotdeauna icircnsoţit de

conducţie (icircn fluide poate exista conducţie practic fără convecţie dacă volumul de

fluid este foarte mic - material poros de exemplu) şi de radiaţie (cu rare excepţii icircn

cazul fluidelor opace ca mercurul de exemplu) Convecţia termică este un fenomen

foarte complicat icircn general neliniar (de regulă este icircnsoţit de turbulenţă) care se

poate studia prin metodele similitudinii şi analogiei

3 Radiaţia termică este procesul prin care căldura este transferată de la un corp

cu temperatura ridicată la un corp cu temperatura coboracirctă corpurile fiind

separate icircn spaţiu Schimbul de căldură prin radiaţie se datorează naturii

electromagnetice a energiei transferate sub formă de cuante de energie

Procesele de transfer de căldură sunt procese complexe icircn care apar simultan două sau

trei din modurile fundamentale de căldură

1

2 TRANSFERUL DE CĂLDURĂ PRIN CONVECŢIE

21 GENERALITĂŢI

Transferul de căldură prin convecţie are loc icircn cacircteva etape

Iniţial căldura trece prin conducţie termică de la suprafaţa peretelui la particulele de

fluid adiacente acestuia ceea ce are ca efect ridicarea temperaturii şi energiei interne a acestor

particole de fluid aceste procese se desfăşoară icircn stratul de fluid de lacircngă perete denumit

strat limită

Icircn continuare aceste particule cu energie mai mare se deplasează către zone de fluid

cu temperaturi mai scăzute unde prin amestec cu alte particule transmit o parte din energia

lor

Prin urmare convecţia este un proces de transfer de energie masă şi implus Energia

este icircnmagazinată icircn particulele de fluid şi transportată ca rezultat al mişcării acestora

Mecanismul procesului nu depinde direct de diferenţa de temperatură dar efectul net este

acela al transferului de energie icircn sensul scăderii temperaturii

Icircn timp ce conductibilitatea are un caracter microscopic deoarece căldura se transmite

de la particulă microscopică la particulă microscopică prin transfer de energie nemijlocit

convecţia este un transfer macroscopic de căldură deoarece se produce prin intermediul unor

cantităţi macroscopice de fluid De menţionat că şi icircn cazul convecţiei fluidul icircnmagazinează

energia termică prin majorarea energiei cinetice şi potenţiale a moleculelor sale deci şi

această icircnmagazinare are tot un caracter microscopic - molecular dar transportul icircnsuşi are

caracter macroscopic

Transmiterea de căldură prin convecţie se poate produce prin curenţi liberi sau prin

curenţi forţaţi Curenţii liberi apar icircn masa fluidului datorită variaţiei de densitate a acestuia icircn

diferite regiuni ale sale variaţie provocată de diferenţele de temperatură Ei apar cacircnd fluidul

se poate mişca liber şi cacircnd icircn masa lui există forţe ascensionale provocate de diferenţele de

densitate suficient de mari pentru a icircnvinge gravitatea şi forţele tangenţiale interne datorate

vacircscozităţii

Intensitatea procesului de transmisie a căldurii prin convecţie depinde icircn foarte mare

măsură de mişcarea de amestec a fluidului ale cărui caracteristici de curgere trebuie

cunoscute Icircn funcţie de cauza mişcării convecţia este clasificată icircn

- convecţie liberă sau naturală ndash cacircnd mişcarea de amestec este rezultatul

diferenţelor de densitate produse de gradienţii de temperatură

2

- convecţie forţată ndash cacircnd mişcarea de amestec este rezultatul unor cauze

externe precum pompe ventilatoare etc

Relaţia de bază a transferului de căldură prin convecţie datorată lui Newton (1701)

permite calculul căldurii schimbate icircntre un fluid şi suprafaţa unui perete

][WTATTAQ sf ∆=minus= αα (1)

][ 2mWTAQqs ∆== α (2)

unde

Q este fluxul de căldură transferat prin convecţie icircn W

q - fluxul termic unitar de suprafaţă icircn Wm2

α - coeficientul de schimb de căldură prin convecţie icircn W(m2sdot oC)

Tf Ts - temperatura fluidului la o distanţă suficient de mare de suprafaţă respectiv a

suprafeţei peretelui icircn oC

∆T ndash diferenţa de temperatură icircntre fluid şi peret sf TTT minus=∆ icircn oC

A ndash aria suprafeţei de schimb de căldură a peretelui icircn m2

Adoptarea valorii absolute a diferenţei de temperatură presupune că fluxul de căldură

Q este pozitiv icircn sensul descreşterii temperaturii

Analogia electrică a transferului de căldură permite introducerea conceptului de

rezistenţă termică Legea lui Ohm pentru circuitele electrice conduce la ecuaţia de curent

eRUI ∆

= (3)

unde ∆U este diferenţa potenţialelor din noduri iar Re ndash rezistenţa electrică

Prin analogie se poate scrie

RTq ∆

= (4)

unde q este fluxul termic unitar ∆T ndash diferenţa de temperatură iar R ndash rezistenţa termică

Din comparaţia relaţiilor (2) şi (4) rezultă expresia rezistenţei termice la schimbul de

căldură prin convecţie

W])Cm[(1 o2 sdot=αconvR (5)

3

22 CONVECŢIA LIBERĂ

Din ecuaţia (1) rezultă că la arie de schimb de căldură constantă A şi la diferenţă de

temperatură constantă fluxul termic poate fi modificat pe baza coeficientului de convecţie α

De altfel acesta este un factor limitativ al regimului termic al echipamentelor electrice

cunoaşterea valorii lui şi măsurile justificate tehnico-economic pentru creşterea acestei valori

fiind o cale de icircmbunătăţire a performanţelor echipamentelor respective

221 Bazele transmiterii căldurii icircntre fluide prin pereţi solizi

S-a constatat experimental că icircn condiţiile curgerii turbulente intensitatea convecţiei

este maximă de aceea se recomandă ca vitezele fluidelor să fie astfel alease icircncacirct curgerea să

fie turbulentă

Icircn cazul schimbului de căldură icircntre un fluid şi o suprafaţă solidă căldura trebuie să

străbată aşa numitul strat limită termic ce se formează la interfaţa dintre fluid şi suprafaţa

solidă

Prin analogie cu stratul limită hidrodinamic stratul limită termic este definit ca zona

adiacentă suprafeţei solide icircn care temperatura fluidului variază de la o valoare Tp la o valoare

T din masa curentului de fluid

Modelul transferului de căldură icircntre fluid şi suprafaţa solidă consideră că icircntreaga

rezistenţă la transferul de căldură este concentrată icircn stratul limită deoarece icircn afara acestuia

deplasarea fluidului nefiind afectată de prezenţa solidului şi de forţele de frecare vacircscoasă

temperatura fluidului este uniformă

Fluxul de căldură Q schimbat icircntre fluid şi perete este proporţional cu suprafaţa de

contact A şi cu diferenţa de temperatură ∆T icircn stratul limită termic (Fig 21)

TAQ ∆sdotsdot= α (6)

unde dacă direcţia transferului de căldură este de la perete la fluid (a) respectiv

dacă direcţia transferului de căldură este de la fluid la perete (b)

TTT p minus=∆

pTTT minus=∆

Icircn ecuaţia de mai sus

α este coeficientul de schimb superficial de căldură prin convecţie icircn Cm

Wo2 sdot

- cu cacirct α este

mai mare transmisia căldurii prin convecţie este mai eficientă

T ndash temperatura fluidului icircn oC

Tp ndash temperatura peretelui la suprafaţa sa de contact cu fluidul icircn oC

Relaţia de mai sus se numesşe ecuaţia de răcire a lui Newton

4

Coeficientul de schimb superficial de căldură depinde de mulţi factori printre care

bull natura fluidului - α este mult mai mare la lichide decacirct la gaze

bull viteza fluidului - cu cacirct viteza este mai mare α este mai mare astfel icircncacirct convecţia

forţată este mult mai eficientă decacirct convecţia liberă

bull poziţia şi geometria suprafeţei α este mai mare pentru suprafeţe verticale decacirct pentru cele

orizontale şi mai mare pentru suprafeţe plane decacirct pentru cele cilindrice

bull diferenţa de temperatură perete-fluid ( ) 412TT minusasympα

bull felul curgerii fluidului ndash α este mai mare icircn cazul curgerii turbulente decacirct icircn al

curgerii laminare prezenţa nervurilor şicanelor etc favorizează turbulenţa şi măresc

valoarea coeficientului

Fig 21 Transferul căldurii de la un perete la fluid (a) şi invers (b)

Dacă de o parte şi de alta a peretelui solid se află fluide cu temperaturi diferite

fenomenul transmiterii căldurii este mai complex şi se caracterizează printr-o convecţie de la

fluidul 1 la peretele solid 2 o conductibilitate prin peretele solid 2 şi din nou printr-o

convecţie de la peretele solid la fluidul 3 (Fig 22)

31 TT gt

Fig 22 Transfer termic icircntre fluidele 1şi 3 prin peretele solid 2

5

Transmiterea de căldură prin convecţie poate fi mult activată atunci cacircnd se

intenţionează acest lucru dacă fluidul este adus icircn mod artificial icircn stare turbionară deoarece

pe de o parte se micşorează astfel grosimea stratului limită iar pe de altă parte se favorizează

contactul unei cantităţi cacirct mai mari de fluid cu pereţii Aceasta echivalează icircnsă cu o

majorare a pierderilor de energie hidraulică prin frecarea fluidului de pereţi şi prin turbionări

Pentru calculul căldurii transferate icircntr-un timp t [h] sau [s] printr-o suprafaţă de perete

A [m2] se utilizează formula lui Newton sub forma

tTAQ sdot∆sdotsdot=α [kJ]

(7)

Ecuaţia de răcire a lui Newton nu exprimă o lege fizică ci una de definire a

coeficientului individual de transfer de caldură deoarece α nu este o constantă fizică

caracteristică mediului fluid ci o mărime fizică ce depinde după o lege complexă de mai

multe variabile incluzacircnd proprietăţile fluidului (λ η ρ cp) viteza fluidului v temperatura

fluidului T şi de geometria sistemului In general

)( 211 llvTcf ρηλα = (8)

Pentru stabilirea unor relaţii de calcul ale lui α icircn principiu se poate utiliza ecuaţia de

răcire a lui Newton şi ipoteza ca icircn stratul limită caldura se transferă prin conductivitate

adică

tlTAtTAQ sdotpartpartsdotsdotminus=sdot∆sdotsdot= λα (9)

Din (9) rezultă

lT

T partpartsdot

∆minus=

λα (10)

care exprimă legătura dintre α şi λ icircn stratul limită al aceluiaşi fluid Ecuaţia (10)

reprezintă icircn acelaşi timp şi una dintre ecuaţiile de bază ale transmiterii de căldură prin

convecţie icircn stratul limită deci reprezintă una dintre ecuaţiile de contur ale convecţiei

Utilizarea acestei relaţii implică cunoaşterea gradientului de temperatură lT partpart icircn

stratul limită termic şi a celor două temperaturi Tp şi respectiv T

Pentru a determina aceste mărimi trebuie cunoscută legea de distributie a

temperaturilor icircn stratul limită care se stabileşte prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a

distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

6

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 2: transfer caldura

2 TRANSFERUL DE CĂLDURĂ PRIN CONVECŢIE

21 GENERALITĂŢI

Transferul de căldură prin convecţie are loc icircn cacircteva etape

Iniţial căldura trece prin conducţie termică de la suprafaţa peretelui la particulele de

fluid adiacente acestuia ceea ce are ca efect ridicarea temperaturii şi energiei interne a acestor

particole de fluid aceste procese se desfăşoară icircn stratul de fluid de lacircngă perete denumit

strat limită

Icircn continuare aceste particule cu energie mai mare se deplasează către zone de fluid

cu temperaturi mai scăzute unde prin amestec cu alte particule transmit o parte din energia

lor

Prin urmare convecţia este un proces de transfer de energie masă şi implus Energia

este icircnmagazinată icircn particulele de fluid şi transportată ca rezultat al mişcării acestora

Mecanismul procesului nu depinde direct de diferenţa de temperatură dar efectul net este

acela al transferului de energie icircn sensul scăderii temperaturii

Icircn timp ce conductibilitatea are un caracter microscopic deoarece căldura se transmite

de la particulă microscopică la particulă microscopică prin transfer de energie nemijlocit

convecţia este un transfer macroscopic de căldură deoarece se produce prin intermediul unor

cantităţi macroscopice de fluid De menţionat că şi icircn cazul convecţiei fluidul icircnmagazinează

energia termică prin majorarea energiei cinetice şi potenţiale a moleculelor sale deci şi

această icircnmagazinare are tot un caracter microscopic - molecular dar transportul icircnsuşi are

caracter macroscopic

Transmiterea de căldură prin convecţie se poate produce prin curenţi liberi sau prin

curenţi forţaţi Curenţii liberi apar icircn masa fluidului datorită variaţiei de densitate a acestuia icircn

diferite regiuni ale sale variaţie provocată de diferenţele de temperatură Ei apar cacircnd fluidul

se poate mişca liber şi cacircnd icircn masa lui există forţe ascensionale provocate de diferenţele de

densitate suficient de mari pentru a icircnvinge gravitatea şi forţele tangenţiale interne datorate

vacircscozităţii

Intensitatea procesului de transmisie a căldurii prin convecţie depinde icircn foarte mare

măsură de mişcarea de amestec a fluidului ale cărui caracteristici de curgere trebuie

cunoscute Icircn funcţie de cauza mişcării convecţia este clasificată icircn

- convecţie liberă sau naturală ndash cacircnd mişcarea de amestec este rezultatul

diferenţelor de densitate produse de gradienţii de temperatură

2

- convecţie forţată ndash cacircnd mişcarea de amestec este rezultatul unor cauze

externe precum pompe ventilatoare etc

Relaţia de bază a transferului de căldură prin convecţie datorată lui Newton (1701)

permite calculul căldurii schimbate icircntre un fluid şi suprafaţa unui perete

][WTATTAQ sf ∆=minus= αα (1)

][ 2mWTAQqs ∆== α (2)

unde

Q este fluxul de căldură transferat prin convecţie icircn W

q - fluxul termic unitar de suprafaţă icircn Wm2

α - coeficientul de schimb de căldură prin convecţie icircn W(m2sdot oC)

Tf Ts - temperatura fluidului la o distanţă suficient de mare de suprafaţă respectiv a

suprafeţei peretelui icircn oC

∆T ndash diferenţa de temperatură icircntre fluid şi peret sf TTT minus=∆ icircn oC

A ndash aria suprafeţei de schimb de căldură a peretelui icircn m2

Adoptarea valorii absolute a diferenţei de temperatură presupune că fluxul de căldură

Q este pozitiv icircn sensul descreşterii temperaturii

Analogia electrică a transferului de căldură permite introducerea conceptului de

rezistenţă termică Legea lui Ohm pentru circuitele electrice conduce la ecuaţia de curent

eRUI ∆

= (3)

unde ∆U este diferenţa potenţialelor din noduri iar Re ndash rezistenţa electrică

Prin analogie se poate scrie

RTq ∆

= (4)

unde q este fluxul termic unitar ∆T ndash diferenţa de temperatură iar R ndash rezistenţa termică

Din comparaţia relaţiilor (2) şi (4) rezultă expresia rezistenţei termice la schimbul de

căldură prin convecţie

W])Cm[(1 o2 sdot=αconvR (5)

3

22 CONVECŢIA LIBERĂ

Din ecuaţia (1) rezultă că la arie de schimb de căldură constantă A şi la diferenţă de

temperatură constantă fluxul termic poate fi modificat pe baza coeficientului de convecţie α

De altfel acesta este un factor limitativ al regimului termic al echipamentelor electrice

cunoaşterea valorii lui şi măsurile justificate tehnico-economic pentru creşterea acestei valori

fiind o cale de icircmbunătăţire a performanţelor echipamentelor respective

221 Bazele transmiterii căldurii icircntre fluide prin pereţi solizi

S-a constatat experimental că icircn condiţiile curgerii turbulente intensitatea convecţiei

este maximă de aceea se recomandă ca vitezele fluidelor să fie astfel alease icircncacirct curgerea să

fie turbulentă

Icircn cazul schimbului de căldură icircntre un fluid şi o suprafaţă solidă căldura trebuie să

străbată aşa numitul strat limită termic ce se formează la interfaţa dintre fluid şi suprafaţa

solidă

Prin analogie cu stratul limită hidrodinamic stratul limită termic este definit ca zona

adiacentă suprafeţei solide icircn care temperatura fluidului variază de la o valoare Tp la o valoare

T din masa curentului de fluid

Modelul transferului de căldură icircntre fluid şi suprafaţa solidă consideră că icircntreaga

rezistenţă la transferul de căldură este concentrată icircn stratul limită deoarece icircn afara acestuia

deplasarea fluidului nefiind afectată de prezenţa solidului şi de forţele de frecare vacircscoasă

temperatura fluidului este uniformă

Fluxul de căldură Q schimbat icircntre fluid şi perete este proporţional cu suprafaţa de

contact A şi cu diferenţa de temperatură ∆T icircn stratul limită termic (Fig 21)

TAQ ∆sdotsdot= α (6)

unde dacă direcţia transferului de căldură este de la perete la fluid (a) respectiv

dacă direcţia transferului de căldură este de la fluid la perete (b)

TTT p minus=∆

pTTT minus=∆

Icircn ecuaţia de mai sus

α este coeficientul de schimb superficial de căldură prin convecţie icircn Cm

Wo2 sdot

- cu cacirct α este

mai mare transmisia căldurii prin convecţie este mai eficientă

T ndash temperatura fluidului icircn oC

Tp ndash temperatura peretelui la suprafaţa sa de contact cu fluidul icircn oC

Relaţia de mai sus se numesşe ecuaţia de răcire a lui Newton

4

Coeficientul de schimb superficial de căldură depinde de mulţi factori printre care

bull natura fluidului - α este mult mai mare la lichide decacirct la gaze

bull viteza fluidului - cu cacirct viteza este mai mare α este mai mare astfel icircncacirct convecţia

forţată este mult mai eficientă decacirct convecţia liberă

bull poziţia şi geometria suprafeţei α este mai mare pentru suprafeţe verticale decacirct pentru cele

orizontale şi mai mare pentru suprafeţe plane decacirct pentru cele cilindrice

bull diferenţa de temperatură perete-fluid ( ) 412TT minusasympα

bull felul curgerii fluidului ndash α este mai mare icircn cazul curgerii turbulente decacirct icircn al

curgerii laminare prezenţa nervurilor şicanelor etc favorizează turbulenţa şi măresc

valoarea coeficientului

Fig 21 Transferul căldurii de la un perete la fluid (a) şi invers (b)

Dacă de o parte şi de alta a peretelui solid se află fluide cu temperaturi diferite

fenomenul transmiterii căldurii este mai complex şi se caracterizează printr-o convecţie de la

fluidul 1 la peretele solid 2 o conductibilitate prin peretele solid 2 şi din nou printr-o

convecţie de la peretele solid la fluidul 3 (Fig 22)

31 TT gt

Fig 22 Transfer termic icircntre fluidele 1şi 3 prin peretele solid 2

5

Transmiterea de căldură prin convecţie poate fi mult activată atunci cacircnd se

intenţionează acest lucru dacă fluidul este adus icircn mod artificial icircn stare turbionară deoarece

pe de o parte se micşorează astfel grosimea stratului limită iar pe de altă parte se favorizează

contactul unei cantităţi cacirct mai mari de fluid cu pereţii Aceasta echivalează icircnsă cu o

majorare a pierderilor de energie hidraulică prin frecarea fluidului de pereţi şi prin turbionări

Pentru calculul căldurii transferate icircntr-un timp t [h] sau [s] printr-o suprafaţă de perete

A [m2] se utilizează formula lui Newton sub forma

tTAQ sdot∆sdotsdot=α [kJ]

(7)

Ecuaţia de răcire a lui Newton nu exprimă o lege fizică ci una de definire a

coeficientului individual de transfer de caldură deoarece α nu este o constantă fizică

caracteristică mediului fluid ci o mărime fizică ce depinde după o lege complexă de mai

multe variabile incluzacircnd proprietăţile fluidului (λ η ρ cp) viteza fluidului v temperatura

fluidului T şi de geometria sistemului In general

)( 211 llvTcf ρηλα = (8)

Pentru stabilirea unor relaţii de calcul ale lui α icircn principiu se poate utiliza ecuaţia de

răcire a lui Newton şi ipoteza ca icircn stratul limită caldura se transferă prin conductivitate

adică

tlTAtTAQ sdotpartpartsdotsdotminus=sdot∆sdotsdot= λα (9)

Din (9) rezultă

lT

T partpartsdot

∆minus=

λα (10)

care exprimă legătura dintre α şi λ icircn stratul limită al aceluiaşi fluid Ecuaţia (10)

reprezintă icircn acelaşi timp şi una dintre ecuaţiile de bază ale transmiterii de căldură prin

convecţie icircn stratul limită deci reprezintă una dintre ecuaţiile de contur ale convecţiei

Utilizarea acestei relaţii implică cunoaşterea gradientului de temperatură lT partpart icircn

stratul limită termic şi a celor două temperaturi Tp şi respectiv T

Pentru a determina aceste mărimi trebuie cunoscută legea de distributie a

temperaturilor icircn stratul limită care se stabileşte prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a

distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

6

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 3: transfer caldura

- convecţie forţată ndash cacircnd mişcarea de amestec este rezultatul unor cauze

externe precum pompe ventilatoare etc

Relaţia de bază a transferului de căldură prin convecţie datorată lui Newton (1701)

permite calculul căldurii schimbate icircntre un fluid şi suprafaţa unui perete

][WTATTAQ sf ∆=minus= αα (1)

][ 2mWTAQqs ∆== α (2)

unde

Q este fluxul de căldură transferat prin convecţie icircn W

q - fluxul termic unitar de suprafaţă icircn Wm2

α - coeficientul de schimb de căldură prin convecţie icircn W(m2sdot oC)

Tf Ts - temperatura fluidului la o distanţă suficient de mare de suprafaţă respectiv a

suprafeţei peretelui icircn oC

∆T ndash diferenţa de temperatură icircntre fluid şi peret sf TTT minus=∆ icircn oC

A ndash aria suprafeţei de schimb de căldură a peretelui icircn m2

Adoptarea valorii absolute a diferenţei de temperatură presupune că fluxul de căldură

Q este pozitiv icircn sensul descreşterii temperaturii

Analogia electrică a transferului de căldură permite introducerea conceptului de

rezistenţă termică Legea lui Ohm pentru circuitele electrice conduce la ecuaţia de curent

eRUI ∆

= (3)

unde ∆U este diferenţa potenţialelor din noduri iar Re ndash rezistenţa electrică

Prin analogie se poate scrie

RTq ∆

= (4)

unde q este fluxul termic unitar ∆T ndash diferenţa de temperatură iar R ndash rezistenţa termică

Din comparaţia relaţiilor (2) şi (4) rezultă expresia rezistenţei termice la schimbul de

căldură prin convecţie

W])Cm[(1 o2 sdot=αconvR (5)

3

22 CONVECŢIA LIBERĂ

Din ecuaţia (1) rezultă că la arie de schimb de căldură constantă A şi la diferenţă de

temperatură constantă fluxul termic poate fi modificat pe baza coeficientului de convecţie α

De altfel acesta este un factor limitativ al regimului termic al echipamentelor electrice

cunoaşterea valorii lui şi măsurile justificate tehnico-economic pentru creşterea acestei valori

fiind o cale de icircmbunătăţire a performanţelor echipamentelor respective

221 Bazele transmiterii căldurii icircntre fluide prin pereţi solizi

S-a constatat experimental că icircn condiţiile curgerii turbulente intensitatea convecţiei

este maximă de aceea se recomandă ca vitezele fluidelor să fie astfel alease icircncacirct curgerea să

fie turbulentă

Icircn cazul schimbului de căldură icircntre un fluid şi o suprafaţă solidă căldura trebuie să

străbată aşa numitul strat limită termic ce se formează la interfaţa dintre fluid şi suprafaţa

solidă

Prin analogie cu stratul limită hidrodinamic stratul limită termic este definit ca zona

adiacentă suprafeţei solide icircn care temperatura fluidului variază de la o valoare Tp la o valoare

T din masa curentului de fluid

Modelul transferului de căldură icircntre fluid şi suprafaţa solidă consideră că icircntreaga

rezistenţă la transferul de căldură este concentrată icircn stratul limită deoarece icircn afara acestuia

deplasarea fluidului nefiind afectată de prezenţa solidului şi de forţele de frecare vacircscoasă

temperatura fluidului este uniformă

Fluxul de căldură Q schimbat icircntre fluid şi perete este proporţional cu suprafaţa de

contact A şi cu diferenţa de temperatură ∆T icircn stratul limită termic (Fig 21)

TAQ ∆sdotsdot= α (6)

unde dacă direcţia transferului de căldură este de la perete la fluid (a) respectiv

dacă direcţia transferului de căldură este de la fluid la perete (b)

TTT p minus=∆

pTTT minus=∆

Icircn ecuaţia de mai sus

α este coeficientul de schimb superficial de căldură prin convecţie icircn Cm

Wo2 sdot

- cu cacirct α este

mai mare transmisia căldurii prin convecţie este mai eficientă

T ndash temperatura fluidului icircn oC

Tp ndash temperatura peretelui la suprafaţa sa de contact cu fluidul icircn oC

Relaţia de mai sus se numesşe ecuaţia de răcire a lui Newton

4

Coeficientul de schimb superficial de căldură depinde de mulţi factori printre care

bull natura fluidului - α este mult mai mare la lichide decacirct la gaze

bull viteza fluidului - cu cacirct viteza este mai mare α este mai mare astfel icircncacirct convecţia

forţată este mult mai eficientă decacirct convecţia liberă

bull poziţia şi geometria suprafeţei α este mai mare pentru suprafeţe verticale decacirct pentru cele

orizontale şi mai mare pentru suprafeţe plane decacirct pentru cele cilindrice

bull diferenţa de temperatură perete-fluid ( ) 412TT minusasympα

bull felul curgerii fluidului ndash α este mai mare icircn cazul curgerii turbulente decacirct icircn al

curgerii laminare prezenţa nervurilor şicanelor etc favorizează turbulenţa şi măresc

valoarea coeficientului

Fig 21 Transferul căldurii de la un perete la fluid (a) şi invers (b)

Dacă de o parte şi de alta a peretelui solid se află fluide cu temperaturi diferite

fenomenul transmiterii căldurii este mai complex şi se caracterizează printr-o convecţie de la

fluidul 1 la peretele solid 2 o conductibilitate prin peretele solid 2 şi din nou printr-o

convecţie de la peretele solid la fluidul 3 (Fig 22)

31 TT gt

Fig 22 Transfer termic icircntre fluidele 1şi 3 prin peretele solid 2

5

Transmiterea de căldură prin convecţie poate fi mult activată atunci cacircnd se

intenţionează acest lucru dacă fluidul este adus icircn mod artificial icircn stare turbionară deoarece

pe de o parte se micşorează astfel grosimea stratului limită iar pe de altă parte se favorizează

contactul unei cantităţi cacirct mai mari de fluid cu pereţii Aceasta echivalează icircnsă cu o

majorare a pierderilor de energie hidraulică prin frecarea fluidului de pereţi şi prin turbionări

Pentru calculul căldurii transferate icircntr-un timp t [h] sau [s] printr-o suprafaţă de perete

A [m2] se utilizează formula lui Newton sub forma

tTAQ sdot∆sdotsdot=α [kJ]

(7)

Ecuaţia de răcire a lui Newton nu exprimă o lege fizică ci una de definire a

coeficientului individual de transfer de caldură deoarece α nu este o constantă fizică

caracteristică mediului fluid ci o mărime fizică ce depinde după o lege complexă de mai

multe variabile incluzacircnd proprietăţile fluidului (λ η ρ cp) viteza fluidului v temperatura

fluidului T şi de geometria sistemului In general

)( 211 llvTcf ρηλα = (8)

Pentru stabilirea unor relaţii de calcul ale lui α icircn principiu se poate utiliza ecuaţia de

răcire a lui Newton şi ipoteza ca icircn stratul limită caldura se transferă prin conductivitate

adică

tlTAtTAQ sdotpartpartsdotsdotminus=sdot∆sdotsdot= λα (9)

Din (9) rezultă

lT

T partpartsdot

∆minus=

λα (10)

care exprimă legătura dintre α şi λ icircn stratul limită al aceluiaşi fluid Ecuaţia (10)

reprezintă icircn acelaşi timp şi una dintre ecuaţiile de bază ale transmiterii de căldură prin

convecţie icircn stratul limită deci reprezintă una dintre ecuaţiile de contur ale convecţiei

Utilizarea acestei relaţii implică cunoaşterea gradientului de temperatură lT partpart icircn

stratul limită termic şi a celor două temperaturi Tp şi respectiv T

Pentru a determina aceste mărimi trebuie cunoscută legea de distributie a

temperaturilor icircn stratul limită care se stabileşte prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a

distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

6

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 4: transfer caldura

22 CONVECŢIA LIBERĂ

Din ecuaţia (1) rezultă că la arie de schimb de căldură constantă A şi la diferenţă de

temperatură constantă fluxul termic poate fi modificat pe baza coeficientului de convecţie α

De altfel acesta este un factor limitativ al regimului termic al echipamentelor electrice

cunoaşterea valorii lui şi măsurile justificate tehnico-economic pentru creşterea acestei valori

fiind o cale de icircmbunătăţire a performanţelor echipamentelor respective

221 Bazele transmiterii căldurii icircntre fluide prin pereţi solizi

S-a constatat experimental că icircn condiţiile curgerii turbulente intensitatea convecţiei

este maximă de aceea se recomandă ca vitezele fluidelor să fie astfel alease icircncacirct curgerea să

fie turbulentă

Icircn cazul schimbului de căldură icircntre un fluid şi o suprafaţă solidă căldura trebuie să

străbată aşa numitul strat limită termic ce se formează la interfaţa dintre fluid şi suprafaţa

solidă

Prin analogie cu stratul limită hidrodinamic stratul limită termic este definit ca zona

adiacentă suprafeţei solide icircn care temperatura fluidului variază de la o valoare Tp la o valoare

T din masa curentului de fluid

Modelul transferului de căldură icircntre fluid şi suprafaţa solidă consideră că icircntreaga

rezistenţă la transferul de căldură este concentrată icircn stratul limită deoarece icircn afara acestuia

deplasarea fluidului nefiind afectată de prezenţa solidului şi de forţele de frecare vacircscoasă

temperatura fluidului este uniformă

Fluxul de căldură Q schimbat icircntre fluid şi perete este proporţional cu suprafaţa de

contact A şi cu diferenţa de temperatură ∆T icircn stratul limită termic (Fig 21)

TAQ ∆sdotsdot= α (6)

unde dacă direcţia transferului de căldură este de la perete la fluid (a) respectiv

dacă direcţia transferului de căldură este de la fluid la perete (b)

TTT p minus=∆

pTTT minus=∆

Icircn ecuaţia de mai sus

α este coeficientul de schimb superficial de căldură prin convecţie icircn Cm

Wo2 sdot

- cu cacirct α este

mai mare transmisia căldurii prin convecţie este mai eficientă

T ndash temperatura fluidului icircn oC

Tp ndash temperatura peretelui la suprafaţa sa de contact cu fluidul icircn oC

Relaţia de mai sus se numesşe ecuaţia de răcire a lui Newton

4

Coeficientul de schimb superficial de căldură depinde de mulţi factori printre care

bull natura fluidului - α este mult mai mare la lichide decacirct la gaze

bull viteza fluidului - cu cacirct viteza este mai mare α este mai mare astfel icircncacirct convecţia

forţată este mult mai eficientă decacirct convecţia liberă

bull poziţia şi geometria suprafeţei α este mai mare pentru suprafeţe verticale decacirct pentru cele

orizontale şi mai mare pentru suprafeţe plane decacirct pentru cele cilindrice

bull diferenţa de temperatură perete-fluid ( ) 412TT minusasympα

bull felul curgerii fluidului ndash α este mai mare icircn cazul curgerii turbulente decacirct icircn al

curgerii laminare prezenţa nervurilor şicanelor etc favorizează turbulenţa şi măresc

valoarea coeficientului

Fig 21 Transferul căldurii de la un perete la fluid (a) şi invers (b)

Dacă de o parte şi de alta a peretelui solid se află fluide cu temperaturi diferite

fenomenul transmiterii căldurii este mai complex şi se caracterizează printr-o convecţie de la

fluidul 1 la peretele solid 2 o conductibilitate prin peretele solid 2 şi din nou printr-o

convecţie de la peretele solid la fluidul 3 (Fig 22)

31 TT gt

Fig 22 Transfer termic icircntre fluidele 1şi 3 prin peretele solid 2

5

Transmiterea de căldură prin convecţie poate fi mult activată atunci cacircnd se

intenţionează acest lucru dacă fluidul este adus icircn mod artificial icircn stare turbionară deoarece

pe de o parte se micşorează astfel grosimea stratului limită iar pe de altă parte se favorizează

contactul unei cantităţi cacirct mai mari de fluid cu pereţii Aceasta echivalează icircnsă cu o

majorare a pierderilor de energie hidraulică prin frecarea fluidului de pereţi şi prin turbionări

Pentru calculul căldurii transferate icircntr-un timp t [h] sau [s] printr-o suprafaţă de perete

A [m2] se utilizează formula lui Newton sub forma

tTAQ sdot∆sdotsdot=α [kJ]

(7)

Ecuaţia de răcire a lui Newton nu exprimă o lege fizică ci una de definire a

coeficientului individual de transfer de caldură deoarece α nu este o constantă fizică

caracteristică mediului fluid ci o mărime fizică ce depinde după o lege complexă de mai

multe variabile incluzacircnd proprietăţile fluidului (λ η ρ cp) viteza fluidului v temperatura

fluidului T şi de geometria sistemului In general

)( 211 llvTcf ρηλα = (8)

Pentru stabilirea unor relaţii de calcul ale lui α icircn principiu se poate utiliza ecuaţia de

răcire a lui Newton şi ipoteza ca icircn stratul limită caldura se transferă prin conductivitate

adică

tlTAtTAQ sdotpartpartsdotsdotminus=sdot∆sdotsdot= λα (9)

Din (9) rezultă

lT

T partpartsdot

∆minus=

λα (10)

care exprimă legătura dintre α şi λ icircn stratul limită al aceluiaşi fluid Ecuaţia (10)

reprezintă icircn acelaşi timp şi una dintre ecuaţiile de bază ale transmiterii de căldură prin

convecţie icircn stratul limită deci reprezintă una dintre ecuaţiile de contur ale convecţiei

Utilizarea acestei relaţii implică cunoaşterea gradientului de temperatură lT partpart icircn

stratul limită termic şi a celor două temperaturi Tp şi respectiv T

Pentru a determina aceste mărimi trebuie cunoscută legea de distributie a

temperaturilor icircn stratul limită care se stabileşte prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a

distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

6

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 5: transfer caldura

Coeficientul de schimb superficial de căldură depinde de mulţi factori printre care

bull natura fluidului - α este mult mai mare la lichide decacirct la gaze

bull viteza fluidului - cu cacirct viteza este mai mare α este mai mare astfel icircncacirct convecţia

forţată este mult mai eficientă decacirct convecţia liberă

bull poziţia şi geometria suprafeţei α este mai mare pentru suprafeţe verticale decacirct pentru cele

orizontale şi mai mare pentru suprafeţe plane decacirct pentru cele cilindrice

bull diferenţa de temperatură perete-fluid ( ) 412TT minusasympα

bull felul curgerii fluidului ndash α este mai mare icircn cazul curgerii turbulente decacirct icircn al

curgerii laminare prezenţa nervurilor şicanelor etc favorizează turbulenţa şi măresc

valoarea coeficientului

Fig 21 Transferul căldurii de la un perete la fluid (a) şi invers (b)

Dacă de o parte şi de alta a peretelui solid se află fluide cu temperaturi diferite

fenomenul transmiterii căldurii este mai complex şi se caracterizează printr-o convecţie de la

fluidul 1 la peretele solid 2 o conductibilitate prin peretele solid 2 şi din nou printr-o

convecţie de la peretele solid la fluidul 3 (Fig 22)

31 TT gt

Fig 22 Transfer termic icircntre fluidele 1şi 3 prin peretele solid 2

5

Transmiterea de căldură prin convecţie poate fi mult activată atunci cacircnd se

intenţionează acest lucru dacă fluidul este adus icircn mod artificial icircn stare turbionară deoarece

pe de o parte se micşorează astfel grosimea stratului limită iar pe de altă parte se favorizează

contactul unei cantităţi cacirct mai mari de fluid cu pereţii Aceasta echivalează icircnsă cu o

majorare a pierderilor de energie hidraulică prin frecarea fluidului de pereţi şi prin turbionări

Pentru calculul căldurii transferate icircntr-un timp t [h] sau [s] printr-o suprafaţă de perete

A [m2] se utilizează formula lui Newton sub forma

tTAQ sdot∆sdotsdot=α [kJ]

(7)

Ecuaţia de răcire a lui Newton nu exprimă o lege fizică ci una de definire a

coeficientului individual de transfer de caldură deoarece α nu este o constantă fizică

caracteristică mediului fluid ci o mărime fizică ce depinde după o lege complexă de mai

multe variabile incluzacircnd proprietăţile fluidului (λ η ρ cp) viteza fluidului v temperatura

fluidului T şi de geometria sistemului In general

)( 211 llvTcf ρηλα = (8)

Pentru stabilirea unor relaţii de calcul ale lui α icircn principiu se poate utiliza ecuaţia de

răcire a lui Newton şi ipoteza ca icircn stratul limită caldura se transferă prin conductivitate

adică

tlTAtTAQ sdotpartpartsdotsdotminus=sdot∆sdotsdot= λα (9)

Din (9) rezultă

lT

T partpartsdot

∆minus=

λα (10)

care exprimă legătura dintre α şi λ icircn stratul limită al aceluiaşi fluid Ecuaţia (10)

reprezintă icircn acelaşi timp şi una dintre ecuaţiile de bază ale transmiterii de căldură prin

convecţie icircn stratul limită deci reprezintă una dintre ecuaţiile de contur ale convecţiei

Utilizarea acestei relaţii implică cunoaşterea gradientului de temperatură lT partpart icircn

stratul limită termic şi a celor două temperaturi Tp şi respectiv T

Pentru a determina aceste mărimi trebuie cunoscută legea de distributie a

temperaturilor icircn stratul limită care se stabileşte prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a

distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

6

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 6: transfer caldura

Transmiterea de căldură prin convecţie poate fi mult activată atunci cacircnd se

intenţionează acest lucru dacă fluidul este adus icircn mod artificial icircn stare turbionară deoarece

pe de o parte se micşorează astfel grosimea stratului limită iar pe de altă parte se favorizează

contactul unei cantităţi cacirct mai mari de fluid cu pereţii Aceasta echivalează icircnsă cu o

majorare a pierderilor de energie hidraulică prin frecarea fluidului de pereţi şi prin turbionări

Pentru calculul căldurii transferate icircntr-un timp t [h] sau [s] printr-o suprafaţă de perete

A [m2] se utilizează formula lui Newton sub forma

tTAQ sdot∆sdotsdot=α [kJ]

(7)

Ecuaţia de răcire a lui Newton nu exprimă o lege fizică ci una de definire a

coeficientului individual de transfer de caldură deoarece α nu este o constantă fizică

caracteristică mediului fluid ci o mărime fizică ce depinde după o lege complexă de mai

multe variabile incluzacircnd proprietăţile fluidului (λ η ρ cp) viteza fluidului v temperatura

fluidului T şi de geometria sistemului In general

)( 211 llvTcf ρηλα = (8)

Pentru stabilirea unor relaţii de calcul ale lui α icircn principiu se poate utiliza ecuaţia de

răcire a lui Newton şi ipoteza ca icircn stratul limită caldura se transferă prin conductivitate

adică

tlTAtTAQ sdotpartpartsdotsdotminus=sdot∆sdotsdot= λα (9)

Din (9) rezultă

lT

T partpartsdot

∆minus=

λα (10)

care exprimă legătura dintre α şi λ icircn stratul limită al aceluiaşi fluid Ecuaţia (10)

reprezintă icircn acelaşi timp şi una dintre ecuaţiile de bază ale transmiterii de căldură prin

convecţie icircn stratul limită deci reprezintă una dintre ecuaţiile de contur ale convecţiei

Utilizarea acestei relaţii implică cunoaşterea gradientului de temperatură lT partpart icircn

stratul limită termic şi a celor două temperaturi Tp şi respectiv T

Pentru a determina aceste mărimi trebuie cunoscută legea de distributie a

temperaturilor icircn stratul limită care se stabileşte prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a

distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

6

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 7: transfer caldura

222 Ecuaţia diferenţială a distribuţiei temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare

(ecuaţia Fourier-Kirchhoff)

Această ecuaţie exprimă legea conservării energiei termice aplicată asupra unui volum

elementar delimitat din masa unui fluid icircn curgere Legea conservării căldurii se aplică sub

forma unui bilanţ termic efectuat pentru un volum elementar de forma paralelipipedică avacircnd

dimensiunile laturilor ∆x ∆y si ∆z raportat la un sistem de coordonate ortogonal (Fig 23)

Deoarece fluidul din elementul de volum este icircn mişcare la icircntocmirea bilanţului

termic se ţine seama că fluxul de căldură intră şi iese din elementul de volum prin două

mecanisme ce se desfăşoară simultan conductivitatea termică şi convecţia Bilanţul termic se

exprimă prin relaţia generală

eicvcdac QQQ minus=+ (11)

unde Qaccd+cv reprezintă fluxul de căldură acumulat icircn elementul de volum prin

conductivitate şi convecţie Qi ndash fluxul de căldură intrat icircn elementul de volum prin cele două

mecanisme iar Qe - fluxul de căldură ieşit din elementul de volum prin cele două mecanisme

Căldura totală acumulată icircn elementul de volum poate fi considerată ca fiind suma

acumulărilor după cele 3 direcţii ale sistemului de coordonate

aczacyacxac QQQQ ++= (12)

Fluxul de caldură convectiv poate fi exprimat prin ecuaţia calorimetrică ca produs

icircntre debitul masic de fluid căldura specifică şi temperatura fluidului

TcAvTcMQ ppm sdotsdotsdotsdot=sdotsdot= ρ (13)

De asemenea s-a considerat că produsul (ρvxT) este variabil pe direcţia x

Fig 23 Transmiterea fluxului de căldură pe direcţia x

7

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 8: transfer caldura

Fluxul intrat şi ieşit prin conductivitate se calculează cu legea Fourier

Cu aceste observaţii rezultă

- căldura acumulată după direcţia x

( ) zyTvTvczyxT

xTQ xxxxxpxxxacx ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (14)

- căldura acumulată după direcţia y

( ) zxTvTvczxxT

yTQ yyyyypyyyacy ∆∆minus+∆∆⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (15)

- căldura acumulată după direcţia z

( ) yxTvTvcyxzT

zTQ zzzzzpzzzacz ∆∆minus+∆∆⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

partpart

minuspartpart

= ∆+∆+ )()( ρρλλ (16)

Acumularea de caldură icircn elementul de volum determină variaţia icircn timp a

temperaturii fluidului din elementul de volum astfel icircncacirct acumularea totală poate fi

exprimată şi prin relaţia

tTVcQ pac partpart

∆= ρ (17)

Prelucracircnd relaţiile icircn ipoteza cp şi λ constante rezultă

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(18)

Relaţia de mai sus reprezintă forma generală a ecuaţiei diferenţiale a distribuţiei

temperaturilor icircntr-un fluid icircn mişcare (ecuaţia Fourier-Kirchhoff) Aceasta poate fi scrisă

icircntr-o formă mai restracircnsă prin utilizarea operatorilor matematici

- derivata substanţială a temperaturii

zTv

yTv

xTv

tT

tTD

zyxs

partpart

+partpart

+partpart

+partpart

=d

(19)

- laplaceanul temperaturii

8

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 9: transfer caldura

2

2

2

2

2

22

zT

yT

xTT

partpart

+partpart

+partpart

=nabla (20)

- divergenţa produsului (ρv)

zv

yv

xvv zyx

partpart

+part

part+

partpart

=nabla)()()()( ρρρρ (21)

Cu aceste notaţii ecuaţia distribuţiei temperaturilor devine

)(2 vTcTdt

TDc p

sp ρλρ nablaminusnabla= (22)

Ecuaţia de mai sus se simplifică icircn următoarele condiţii

- regim staţionar cacircnd 0=partpart

tT (23)

- fluid necompresibil cacircnd 0)( =nabla vρ (24)

şi ecuaţia devine Tdt

TDc s

p2nabla= λρ (25)

- mediu imobil cacircnd 0=== zyx vvv şi TtTc p

2nabla=partpart λρ (26)

care este tocmai ecuaţia diferenţială a conductivităţii termice

- mediu imobil si regim stationar (27) 02 =nabla T

Prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de distribuţie

a temperaturilor in interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite determinarea

gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn funcţie de care se

poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de caldură

Soluţii analitice nu sunt icircnsă posibile decacirct pentru cazuri simple

In aceste condiţii determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face

experimental corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse prin

metodele similitudinii şi analizei dimensionale

9

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 10: transfer caldura

223 Similitudinea proceselor termice

Procedeul similitudinii cunoscut şi aplicat cu succes icircn hidrodinamică a fost folosit

pentru prima dată icircn studiul convecţiei de către Nusselt El a aplicat o metodă riguroasă

pentru determinarea criteriilor de similitudine plecacircnd de la ecuaţiile diferenţiale ale

transferului de căldură

- ecuaţia de continuitate (legea conservării masei cu caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de mişcare a fluidelor vacircscoase

- ecuaţia Navier-Stokes (ecuaţia de curgere) după cele trei axe de coordonate (cu

caracter pur hidrodinamic)

- ecuaţia de conservare a energiei termice şi hidraulice (cu caracter termic şi hidro-

dinamic)

- ecuaţia condiţiilor de contur

Icircn toate aceste ecuaţii s-au introdus următorii factori adimensionali care nu trebuie

confundaţi cu criteriile de similitudine şi care sunt rapoarte icircntre mărimile fizice care

intervin icircn ecuaţiile de mai sus scrise atacirct pentru original cacirct şi pentru model

bull fl = ll - pentru lungimi

bull fv=vv - pentru viteze

bull fp=pp - pentru presiuni

bull fρ=ρρ- pentru densităţi

bull fν = νν - pentru vacircscozităţi

bull fT= TT - pentru temperaturi

bull fa = aa - pentru difuzibilitatea termică

bull fα=αα- pentru convecţie

bull fλ=λλ - pentru conductibilitate

Scriind expresia fiecărui factor de scară se obţine

lplp

lvlv

ρρ

2

2= sau

Euvp

vp

=== 22 ρρ

(28)

un criteriu pur hidrodinamic denumit criteriul Euler

2

2

2

2

lvvl

lvlv

υυ

= sau

10

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 11: transfer caldura

Re

===υυ

lvvl (29)

criteriul hidrodinamic denumit criteriul Reynolds

2

2

TT

gg

ll

vv

∆∆

sdotsdot=sdotsdotββ

υυ sau

22

vlTg

vTlg

υβ

υβ ∆

=∆ (30)

Ţinacircnd seama de (29) relaţia (30) devine

2

3GrTlg

=∆

υβ (31)

denumit criteriul Grashof

211 fff

fff TaTv = sau

Pealv

avl

=== (32)

denumit criteriul Peclet

Din cele de mai sus rezultă

1fff

ff TT

λα = sau

Null==

sdot=

sdot

λα

λα (33)

denumit criteriul Nusselt

Ecuaţia de continuitate n-a mai fost utilizată icircn stabilirea criteriilor de similitudine

deoarece raportul care intervine icircn această ecuaţie poate lua orice valoare deci nu 1 ff v

dă nici o concluzie asupra similitudinii

Icircn locul acestor criterii care utilizează mărimi independente icircntre ele se poate folosi

orice combinaţie a lor deoarece şi aceste combinaţii au un caracter adimensional (criterial)

Astfel icircn locul criteriului Peclet s-a introdus criteriul

a

Pe υ==

RePr (34)

denumit criteriul Prandtl care nu conţine decacirct mărimi caracteristice ale fluidului

Un alt criteriu rezultat din combinarea altor criterii este şi

pc

NuStsdotsdot

=sdot

=ρωα

PrRe (35)

11

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 12: transfer caldura

denumit criteriul Stanton

Dacă se consideră ecuaţiile după axele x şi y criteriul lui Grashof nu mai apare

deoarece mişcarea fluidului nu se face şi pe verticală Icircn acest caz mişcarea fluidului şi

transmiterea de căldură prin convecţie (şi conductibilitate icircn stratul limită) vor fi

caracterizate printr-o funcţie criterială de forma

f(NuPrRe) = 0 (36)

sau

Nu=g(RePr) (37)

Criteriul lui Euler nu intră icircn funcţiiile de mai sus deoarece presiunea nu joacă un rol

direct icircn transmiterea căldurii iar influenţa ei indirectă a fost luată icircn considerare icircn

cadrul celorlalte criterii Icircn consecinţă introducerea acestui criteriu nu aduce nici o

contribuţie concludentă icircn convecţia termică

Relaţia (37) permite determinarea valorii lui α dacă se cunoaşte teoretic sau

experimental funcţia care leagă icircntre ele criteriile Nu Re şi Pr Icircn acest caz

Pr)(Reglλα = (38)

Icircn cazul mişcării pe verticală mai intervine şi criteriul Gr pe lacircngă celelalte

criterii

Dacă este cazul unei mişcări relativ lente cum se icircntacircmplă la convecţia liberă criteriul

Re icircşi pierde importanţa avacircnd valoare foarte mică aşa că se poate scrie

Nu = f(GrPr) (39)

La curgere forţată pe verticală cacircnd se suprapune convecţia liberă peste convecţia

forţată relaţia (39) devine

Nu = f(RePrGr) (40)

Icircn concluzie teoria similitudinii permite ca pe baza ecuaţiilor diferenţiale ale

convecţiei dar fără a le integra să se obţină criterii de similitudine icircntre care să se determine

pe cale experimentală ecuaţii criteriale valabile pentru toate procesele asemenea Din aceste

ecuaţii criteriale se poate determina coeficientul de convecţie α

12

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 13: transfer caldura

224 Calculul coeficienţilor de transfer de căldură

In cazurile complexe coeficienţii de transfer de căldură se calculează din ecuaţii

criteriale care se obţin prin prelucrarea rezultatelor experimentale Ecuaţiile criteriale se obţin

pornind de la ecuaţia diferenţială cu următorul algoritm

Pasul 1 se scrie ecuaţia diferenţială Fourier-Kirchhoff

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

partpart

+part

part+

partpart

minus⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

part

part+

part

part+

part

part=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛partpart

+partpart

+partpart

+partpart

zv

yv

xv

TczT

yT

xT

zTv

yTv

xTv

tTc zyx

pzyxp)()()(

2

2

2

2

2

2 ρρρλρ

(41)

Pasul 2 se transcrie ecuaţia difereţială icircn forma dimensională generalizată

(IV) (III) (II) (I)

02

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lTvc

lT

lvTc

tTc ppp ρλρρ

(42)

Pasul 3 se elimină termenii care nu sunt independenţi (termenii II şi IV sunt identici

şi de aceea se reţine numai unul dintre ei)

(III) (II) (I)

02

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

lT

lvTc

tTc pp λρρ

(43)

Pasul 4 primul termen se exprimă sub forma

lT

lTl

lQ

tlQ

tl

Tmct

Tc pp ααρ===== 3

2

333 (44)

şi ecuaţia dimensională generalizată devine

(III) (II) (I)

02 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

lT

lvTc

lT p λρα

(45)

Se fac rapoarte adimensionale icircntre termenii ecuaţiei de mai sus obţinacircnd două criterii

de similitudine

Criteriul Nusselt se obţine raportacircnd termenul (I) la termenul (III)

λα

λα l

Tl

lT

IIIINu =sdot==

2

)()( (46)

13

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 14: transfer caldura

Acest criteriu exprimă raportul dintre căldura totală transmisă icircn interiorul fluidului şi

căldura transmisă numai prin conductivitate

Criteriul Peclet rezultă din raportul termenilor (II) şi (III)

avlvlc

Tl

lTvc

IIIIIPe pp ==sdot==

λρ

λρ 2

)()( (47)

icircn care pc

aρλ

= este coeficientul de difuziune termică

Funcţia criterială generală este dată de relaţia

0Re0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

WeFrEuPeNuf (48)

Funcţia criterială se simplifică astfel

- pentru fluide omogene We=0

- icircntre Eu şi Re există o relaţie de dependenţă aşa cum rezultă din următorul raţionament

la curgerea internă

2

2vdLP ρλ=∆ de unde

dL

vPEu

22 λρ

=∆

= (49)

icircn timp ce la curgerea externă

2

2vAP cρξ=∆ deci

22

cAvPEu ξ

ρ=

∆= (50)

Deoarece (Re)f=λ şi (Re)f=ξ rezultă că Eu=f(Re) icircn consecinţă criteriul Euler

poate fi omis din ecuaţia criterială

- se preferă icircnlocuirea criteriului Pe cu criteriul Prandtl care are avantajul că este exprimat

numai icircn funcţie de constante fizice

λη

ρηρ sdot

=sdotsdot

sdotsdotsdot== pp c

lvlvTcPe

RePr (51)

- criteriul Froude este icircnlocuit cu criteriul Grashof (numit şi criteriul convecţiei libere)

14

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 15: transfer caldura

Tlvv

lgTFrGr ∆sdotsdotsdotsdot

sdotsdot

=∆sdotsdotsdot= βη

ρβ 2

222

22Re (52)

şi ecuaţia criterială devine

0RePr0

2

0

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ll

ll

GrNuf (53)

care se explicitează icircn raport cu criteriul Nusselt şi se obţine

PrRe4

321

0

1n

nnn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdotsdot= (54)

- icircn convecţia liberă nu apare Reynolds doarece nu se poate determina viteza şi ecuaţia

criterială devine

Pr3

21

0

1n

nn

ll

GrCNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (55)

- icircn convecţia forţată icircn regim turbulent nu apare Grashof iar ecuaţia criterială devine

PrRe3

21

0

1n

nn

ll

CNu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdotsdot= (56)

Ecuaţiile criteriale existente icircn literatura de specialitate sunt rezultatul prelucrării unui

număr mare de date experimentale obţinute icircn condiţii particulare şi limite bine precizate de

variaţie a parametrilor motiv pentru care şi valabilitatea acestor ecuaţii este limitată

Pentru calculul coeficientului individual de transfer de caldura α trebuie cunoscute

exact condiţiile icircn care se realizează convecţia pentru a alege din literatura de specialitate

ecuaţia criterială adecvată

Icircn literatura de specialitate sunt prezentate ecuaţii criteriale pentru fiecare tip de

convecţie

225 Analiza dimensională

Analiza dimensională este o metodă prin care se obţin informaţii despre un fenomen

pornind de la singura premiză că fenomenul poate fi descris printr-o ecuaţie dimensională

corectă şi omogenă icircntre anumite variabile Metoda are icircnsă o limitare constacircnd icircn aceea că

rezultatele obţinute sunt incomplete şi practic inutilizabile dacă nu sunt completate cu date

experimentale

Analiza dimensională iniţiată de Buckingham combină variabilele unui proces icircn

grupuri adimensionale denumite criterii convenabil alese care uşurează interpretarea

15

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 16: transfer caldura

rezultatelor şi extind domeniul de aplicare a datelor experimentale Relaţiile de calcul

stabilite cu ajutorul analizei dimensionale şi corelate cu datele experimentale permit

determinarea coeficientului de convecţie pentru categorii largi de fenomene reale icircn baza

legilor similitudinii

Analiza dimensională contribuie icircnsă icircn mică măsură la icircnţelegerea proceselor de

convecţie deoarece nu dă nici un fel de informaţii despre natura fenomenelor considerate

Criteriile de similitudine pot fi determinate şi cu ajutorul analizei dimensionale prin

egalizarea dimensiunilor cunoscute ale unei mărimi complexe cu dimensiunile unor mărimi

simple sau complexe alese mai mult sau mai puţin arbitrar

Considerăm mărimea complexă α ale cărei dimensiuni cunoscute sunt

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

sdotsdot grdsmJ

2α (57)

Se presupune că mărimea depinde de lungimea caracteristică a corpului de căldura

specifică a fluidului de conductibilitatea termică de viteză de vacircscozitatea cinematică şi

de densitatea fluidului Presupunerea se bazează pe analiza formulelor care exprimă de

obicei pe α Dimensiunile acestor mărimi sunt

][3

2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡sdotsdot⎥

⎤⎢⎣

⎡sdot m

kgs

msmv

grdsmJ

grdkgJcml ρυλ

Icircn consecinţă se poate scrie

(58) θηεδγβ υλρα sdotsdotsdotsdotsdotsdot= cvlC

unde C este o constantă adimensională

Dacă se grupează aceşti exponenţi se obţine formula lui Nusselt

(59) εγ PrRe sdotsdot=CNu

formulă utilizată deseori pentru determinarea lui α şi care corespunde destul de bine

determinărilor experimentale icircn foarte multe cazuri practice Mărimile γ şi ε sunt nişte

numere oarecare adesea notate cu m şi n

Determinarea coeficientului de convecţie pe această cale implică icircnsă un mare număr

de măsurări experimentale şi cunoaşterea relaţiei dintre parametrii icircn cauză lucru care nu este

totdeauna realizabil

16

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 17: transfer caldura

226 Factorii care determină şi influenţează convecţia termică

Aceşti factori sunt

a) Cauza care produce mişcarea fluidului

Dacă mişcarea fluidului este cauzată doar de diferenţa de densitate produsă de

diferenţa de temperatură icircntre particulele de fluid mai apropiate şi mai depărtate de perete

transmisia căldurii se face prin convecţie liberă

Dacă mişcarea fluidului este cauzată de un lucru mecanic din exterior (pompă

ventilator) transmisia căldurii se face prin convecţie forţată

b) Regimul de curgere al fluidului care este caracterizat prin criteriul Reynolds (Re)

Pentru curgerea fluidelor prin ţevi şi canale icircnchise există următoarele regimuri

bull convecţie icircn regim laminar (particulele de fluid nu se amestecă liniile de curent fiind

paralele) 2300Re lt

bull convecţie icircn regim tranzitoriu 410Re2300 ltlt

bull convecţie icircn regim turbulent 410Re gt

Pentru curgerea fluidului peste corpuri icircn formă de placă plană graniţa dintre laminar

şi turbulent este pentru 5105Re sdotasymp

Deoarece icircn regim laminar particulele nu se amestecă intensitatea transferului de

căldură prin convecţie este mai mare icircn regim turbulent decacirct icircn regim laminar

c) Proprietăţile fizice ale fluidului

Convecţia este influenţată icircn principal de căldura specifică cp coeficientul de

conducţie λ al fluidului (care intervine icircn stratul limită termic) difuzivitatea termică

densitatea vacircscozitatea dinamică proprietăţi care depind de temperatura fluidului şi care pot

fi găsite icircn tabele termodinamice

d) Forma şi dimensiunile suprafeţei de schimb de căldură

Geometria suprafeţei de schimb de căldură (plană cilindrică nervurată etc) şi

orientarea acesteia faţă de direcţia de curgere a fluidului afectează caracteristicile stratului

limită deci şi transferul de căldură prin convecţie

Problema transmiterii căldurii prin convecţie se reduce de fapt la determinarea

coeficientului de convecţie α

17

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 18: transfer caldura

Dacă icircn calculele practice de transmitere a căldurii prin conducţie se poate lucra cu

valorile experimentale ale coeficientului λ luate din tabele termodinamice icircn cazul convecţiei

coeficientul α trebuie determinat pentru fiecare caz icircn parte şi depinde de cei 4 factori

prezentaţi anterior

Determinarea coeficientului de convecţie α se face pornind de la ecuaţiile diferenţiale

care intervin icircn procesul de transmitere a căldurii prin convecţie tinacircnd cont de faptul că

procesul are loc datorită mişcării fluidului ecuaţia de continuitate ecuaţiile de mişcare

(ecuaţiile Navier-Stockes) şi ecuaţia de contur (care ţine seama de faptul că fluxul unitar de

căldură transmis prin convecţie este egal cu fluxul unitar de căldură transmis prin conducţie

prin stratul limită de fluid de lacircngă perete)

Rezolvarea teoretică a acestui sistem de ecuaţii diferenţiale nu este posibilă decacirct

pentru cazuri foarte simple particulare

Din această cauză pentru determinarea coeficientului de convecţie α se face apel la

teoria similitudinii Pe baza ecuaţiilor diferenţiale sus menţionate şi a teoriei similitudinii au

fost deduse mărimile adimensionale numite invarianţi criterii de similitudine sau numere

Aceşti invarianţi se pot calcula icircn funcţie de parametrii fluidului la temperatura

respectivă (vacircscozitate densitate viteză etc)

Toţi aceşti invarianţi au aceeaşi valoare pentru sistemele şi fenomenele asemenea

Cel mai important invariant este Nu deoarece include coeficientul de convecţie α care

trebuie determinat λα lNu sdot= unde λ este coeficientul de conducţie termică a fluidului icircn

stratul limită iar l este lungimea caracteristică (diametrul icircn cazul conductelor)

Efectuacircnd experimentări pe instalaţii de laborator au fost deduse empiric relaţii de

legătură icircntre invarianţi numite ecuaţii criteriale de forma

Nu = f ( Re Pr Gr etc ) (60)

18

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 19: transfer caldura

3 DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A COEFICIENTULUI DE

TRANSFER TERMIC PRIN CONVECŢIE

31 INTRODUCERE

Există patru metode de bază pentru evaluarea coeficientului de transfer termic prin

convecţie

- analiza dimensională combinată cu determinări experimentale

- determinarea analitică a soluţiilor ecuaţiilor stratului limită

- analiza aproximativă a startului limită prin metode integrale

- analogia dintre transferul de căldură masă şi impuls

Deşi fiecare dintre metode contribuie la cunoaşterea procesului transferului de căldură

nici una dintre ele nu poate rezolva singură toate problemele schimbului de căldură prin

convecţie datorită limitărilor pe care le au

Analitic prin integrarea ecuaţiei diferenţiale Fourier-Kirchhoff se obţine funcţia de

distribuţie a temperaturilor icircn interiorul fluidului icircn mişcare Această funcţie permite

determinarea gradientului de temperatură şi a potenţialului individual icircn stratul limită icircn

funcţie de care se poate stabili o relaţie de calcul al coeficientului de transfer de căldură prin

convecţie

Soluţiile analitice nu sunt icircnsă posibile de găsit decacirct pentru cazuri simple

Icircn consecinţă determinarea coeficienţilor de transfer de căldură se face experimental

pe un model fizic corelarea datelor experimentale făcacircndu-se prin ecuaţii criteriale deduse

prin metodele similitudinii şi analizei dimensionale

32 INSTALAŢIA EXPERIMENTALĂ

Măsurătorile s-au efectuat pe un model experimental de crestătură cu răcire directă

introdus icircntr-o cutie din tablă de Ol37-2K de 25 mm grosime cu volumul de 03396 m3 care

este izolat termic printr-un strat de lemn căptuşit cu plăci de azbest pe trei sferturi din

suprafaţa sa şi cu alumină pe restul de un sfert de suprafaţă

Icircn zona icircn care izolaţia termică este de alumină modelul are prevăzute termocuplurile

şi sondele de presiune

Aşezarea sondelor s-a făcut numai pe o faţă din jumătatea modelului ca urmare a

faptului că modelul experimental prezintă simetrie geometrică faţă de planele mediane

(transversal şi longitudinal)

19

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 20: transfer caldura

Alimentarea cu aer s-a făcut de la reţeaua de aer comprimat printr-un colector de la

extremităţile căruia s-a făcut racordul prin furtunuri de cauciuc la două camere de admisie

montate sub capetele de bobină Aceste camere permit accesul aerului icircn canalul de admisie

plasat sub icircnfăşurarea de cupru

Fig 31 Modelul experimental de crestătură cu răcire directă

Fig 32 Schema experimentală

20

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 21: transfer caldura

Din canalul de admisie aerul este evacuat icircn atmosferă prin 31 de canale radiale

identice tip fantă aşezate la 75 mm unul de altul de secţiune transversală 50 x 3 mm2 fante

practicate direct icircn icircnfăşurarea de cupru (Fig 31) Cele două capete de bobină de lungime

110 mm fiecare nu sunt izolate termic rămacircnacircnd direct icircn atmosferă iar pe o distanţă de 172

mm icircncepacircnd de la capete nu au prevăzute nici o fantă radială

Bobina modelului a fost alimentată cu energie electrică icircn curent continuu prin cele

două capete ale sale de la trei grupuri convertoare de sudură identice legate icircn paralel ca icircn

figura 32

Variaţia intensităţii curentului din bobină s-a făcut după necesităţi folosind butoanele

excitaţiilor serie şi separată aşezate pe panoul grupurilor icircntre 680 A şi 1068 A

Deoarece bobina are de-a lungul său două secţiuni transversale diferite una mai mare

icircn zona masivă a sa şi alta mai mică icircn zona fantelor radiale au rezultat pentru orice

intensitate de curent cacircte două valori pentru densităţile de curent

Existenţa a două densităţi de curent icircn bobină se traduce pentru funcţia M = M(xyzt)

Wm3 prin două valori constante M1 şi M2 la fiecare valoare a intensităţii curentului valoarea

M1 pentru zona plină a bobinei şi valoarea M2 pentru zona cu fante a bobinei

Fiecare valoare M1 rezultă din raportul puterii P1 consumată icircn zona plină care este

egală cu 0395 Pbobină şi volumul său V1 = 383 x10-3 m3 iar valoarea M2 - din raportul puterii

P2 consumată icircn zona cu fante egală cu 0605 Pbobină şi volumul său V2 = 476 x10-3 m3

Puterea electrică icircn curent continuu consumată icircn bobină s-a măsurat prin metoda

voltmetrului şi ampermetrului

Deoarece montajul aval al voltmetrului dă o eroare de măsurare redusă icircn cazul

tensiunilor mici ca icircn acest caz cacircnd tensiunea este 545 V şi curenţilor mari (680 A - 1068

A) acest montaj a fost preferat

Ca aparate de măsură s-au folosit un voltmetru magnetoelectric de clasă 03 iar cu rol

de ampermetru s-a folosit un multimetru de clasă 03 combinat cu un şunt de 1200 A 60 mV

şi 5 Ω

Pentru determinarea regimului termodinamic icircn instalaţia de răcire a bobinei de cupru

din crestătură prin măsurătorile efectuate sndasha urmărit punerea icircn evidenţă a următoarelor

mărimi

a) căderea totală de presiune icircn instalaţia de răcire funcţie de debitul de aer vehiculat

21

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 22: transfer caldura

b) variaţia longitudinală a căderii de presiune icircn sistemul fantă admisie fantă ieşire

orificii fantă ndash funcţie de poziţia fantelor şi regimul de lucru

c) temperaturile icircn miezul de cupru al icircnfăşurării şi distribuţia lor longitudinală icircn funcţie

de regimul de icircncărcare şi debitul de fluid vehiculat

d) debitul de căldură cedat icircn fantele de răcire şi preluat de agentul vehiculat ndash icircn funcţie

de poziţia fantelor şi puterea disipată icircn instalaţie

e) repartiţia debitului agentului de răcire funcţie de poziţia fantelor

f) determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantele de răcire

g) determinarea coeficientului de pierderi de presiune considerat ca un coeficient de

rezistenţă local icircn funcţie de poziţia fantelor

Temperaturile s-au măsurat cu termocuplu cupru-constantan cu diametrul 02 mm şi

05 mm izolate icircn teflon respectiv sticlă tip Degussa

Presiunile s-au măsurat cu sonde de presiune cu diametrul 2mm racordate la tuburi U

icircn mm coloană de apă (mm CA) sau mm coloană de mercur (mm CHg)

Mărimile temperaturilor s-au măsurat cu aparate icircnregistratoare icircn icircnfăşurarea de

cupru iar cele ale fluidului s-au măsurat la intrarea icircn regim permanent cu ajutorul unui

voltmetru electronic digital şi a unui milivoltmetru cu spot luminos

Fiecare termocuplu a fost etalonat anterior icircmpreună cu aparatul de măsură cu care a

fost utilizată punctul rece fiind introdus pentru termostatare la 0oC icircntr-un vas Dewar cu

gheaţă atacirct icircn timpul etalonării cacirct şi icircn timpul măsurătorilor

Icircn scopul măsurării mărimilor de mai sus s-au montat

1) 6 sonde de presiune statică 5 icircn lungul canalului de admisie la baza crestăturii şi una

icircnainte de intrare icircn canalul de admisie

2) Debitul total de aer de răcire cu ajutorul unei diafragme standardizate măsuracircndu-se

căderea de presiune icircn diafragmă şi presiunea statică icircn aval de aceasta

3) Vitezele la ieşirea din orificiile fiecărei fante s-au măsurat cu ajutorul unei sonde Pitot

amplasate pe un suport mobil din teflon de-a lungul celor 16 fante studiate Pentru

determinarea vitezelor s-a măsurat şi temperatura la ieşirea din fiecare orificiu

4) Temperatura aerului icircn lungul canalului de admisie s-a măsurat cu ajutorul a patru

termocupluri montate icircn lungul canalului

22

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 23: transfer caldura

5) Determinarea distribuţiei temperaturii pe icircnălţimea icircnfăşurării s-a făcut prin plantarea

icircn două secţiuni a termocuplurilor

6) Temperatura icircn masa icircnfăşurării de cupru icircn lungul icircntregului traseu de măsură cu

ajutorul a 9 termocupluri introduse prin partea laterală a crestăturii şi 2

termocuplurilor montate icircn icircnfăşurarea de cupru icircn apropierea bornelor de legătură

7) Temperaturile la suprafaţa exterioară a icircnfăşurării de cupru s-au măsurat icircn două

puncte icircn acelaşi loc unde s-au plantat termocupluri pentru măsurarea temperaturii icircn

axul icircnfăşurării pentru a putea urmări distribuţia transversală a temperaturii icircn

icircnfăşurare

Pentru determinarea gradientului radial a temperaturii icircn icircnfăşurare s-au determinat icircn

două puncte temperaturile la partea superioară şi respectiv inferioară a icircnfăşurării

33 REZULTATE EXPERIMENTALE

Experimentările s-au efectuat pentru regimuri de bază icircn care s-a variat puterea

electrică disipată icircn icircnfăşurările de cupru

PA = 2207 W PB = 2907 W PC = 4301 W PD = 5744 W la care corespund densităţile

de curent

JA = 305 Amm2 JB = 345 Amm2 JC = 404 Amm2 JD = 463 Amm2

Pentru fiecare regim de putere s-au variat debitele de agent de răcire pentru a se pune

icircn evidenţă influenţa parametrilor aerodinamici de curgere asupra temperaturii icircn icircnfăşurare

Icircn tabelul următor sunt prezentate valorile debitelor de răcire puterile electrice

disipate şi densităţile de curent pentru regimurile experimentate grupate după valorile

densităţii de curent

Regim P

[W]

J

[Amm2]

Dt

[m3h]

11 2006 297 121

A 12 2376 314 865

13 2240 306 67

8 2875 345 121

B 9 2808 341 112

10 3040 349 805

1 4149 402 118

3 4176 405 129

23

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 24: transfer caldura

C 4 4167 403 121

5 4454 405 101

6 4563 403 80

D 2 5767 467 135

7 5722 459 123

Se observă că nu s-a putut menţine puterea constantă la diferite debite de aer de

răcire icircn cazul regimurilor de putere ABCD deoarece icircn timpul funcţionării au existat

variaţii ale rezistenţei icircnfăşurării ca urmare a modificării temperaturii cuprului precum şi mici

variaţii de tensiune

Pentru fiecare debit de agent de răcire s-au măsurat vitezele icircn cele 3 x N orificii cu

diametrul de 7 mm N fiind numărul de fante de răcire Determinările s-au efectuat din

motive de simetrie geometrică şi fizică a procesului numai pe jumătate bară rezultacircnd 3 x 16

= 48 orificii pentru care s-au efectuat măsurătorile la fiecare regim Icircn acelaşi mod s-a

procedat cu temperaturile agentului de răcire la ieşirea din orificii

Notacircnd cu presiunea dinamică măsurată cu tubul Pitot s-a determinat

temperatura medie icircn fanta j cu relaţia

ep∆

sum

sum

=

=

sdot∆

= 3

1

3

1

iei

iiei

ej

p

TpT (61)

unde şi Teip∆ i reprezintă presiunile dinamice şi temperaturile la ieşire din cele 3 orificii

corespunzătoare fantei j

Debitul de aer pe fanta j s-a determinat cu relaţia

(62) sum=

sdot=3

10 3600

iifj swD ε

unde wi [ms] este viteza icircn orificiu şi rezultă din relaţia

aer

eii

pw

ρ9802 sdotsdot∆

= (63)

reprezentacircnd presiunea dinamică a fiecăreia din cele 3 găuri corespunzătoare unei fante j Ea

se determină cu ajutorul tubului Pitot mobil s0 reprezintă secţiunea transversală aceeaşi

pentru toate orificiile

Densitatea aerului s-a aproximat cu ecuaţia

[kgmfjaer T410412650 minussdotminus=ρ 3] (64)

24

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 25: transfer caldura

valabilă icircn limitele CTC 00 10020 ltlt

Ecuaţia (62) poate fi astfel pusă sub forma simplificată

sum=

minus∆

sdotminus=

3

1410412650

1

iei

fjfj p

TAD (65)

A fiind o constantă de calcul egală cu 1935 sdot10-2

Viteza aerului icircn fanta j se calculează cu relaţia

3600sdot

=f

fjfj S

Dw (66)

unde Sf este secţiunea transversală a fantelor Sf =148110-4 m2

Pentru determinarea coeficientului local de rezistenţă al fantelor s-a folosit relaţia

aerfj

j wp

ρζ 21 sdot

∆= (67)

unde ∆p1 (mm CA) reprezintă căderea de presiune icircn sistemul alimentare fantă-fantă-sistem

de ieşire fantă

Debitul de căldură preluat de aer icircn fiecare fantă se calculează cu relaţia

[kcalh] (68)

unde T

)( ijejpafjaerfj TTcDQ minus= ρ

i reprezintă temperatura aerului la intrarea icircn fanta j rezultată din măsurătorile de

temperaturi icircn lungul canalului de admisie iar cpa = 2378

Pentru determinarea coeficientului de transfer de căldură icircn fantă se foloseşte relaţia

)( aerpCuCu

jj TTA

Qminus

=α (69)

unde

- ACu reprezintă suprafaţa laterală a fantei ocupată de icircnfăşurarea de cupru (mai

puţin suprafaţa ocupată de izolaţie) ACu = 12410 mm2

- pCuT este temperatura peretelui icircnfăşurării de cupru icircn fantă

CTpCuo40+=θ

- aerT este temperatura medie a aerului icircn fanta j 2

efifaer

TTT

+=

Temperatura pCuT s-a aproximat prin temperatura icircn axa icircnfăşurării de Cu avacircnd icircn

vedere că la icircncărcările volumetrice de putere M [Wm3] utilizate icircn timpul experimentărilor

rezultă o cădere foarte mică de temperatură icircntre peretele fantei şi temperatura icircn ax icircntre 2

25

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 26: transfer caldura

fante Icircntr-adevăr dacă se consideră icircncărcarea volumetrică maximă de putere icircntacirclnită icircn

cursul experimentărilor M = 072x106 Wm3 şi se utilizează pentru căderea de temperatură

ax-perete fantă relaţia

Cu

Mrtλ2

2=∆ (70)

unde r = 125 mm λ Cu = 300 kcalmsdothsdotgrd rezultă

(71) grd1870asymp∆T

ceea ce justifică alegerea temperaturii icircn axul icircnfăşurării pentru determinarea coeficientului de

transfer de căldură

Supratemperaturile θ măsurate icircn miezul barei icircn cele 13 regimuri studiate

Regim 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 96 995 86 80 70 64 57 44 47 365

2 116 133 107 85 77 67 61 45 47 34

3 81 855 695 65 56 50 43 295 33 23

4 895 94 80 725 625 555 46 365 395 29

5 995 109 98 825 715 65 565 465 62 395

6 1085 132 106 89 81 76 685 61 675 545

7 120 143 112 915 805 715 64 49 515 395

8 665 64 525 525 445 435 295 235 255 185

9 645 445 355 515 435 425 285 21 11 16

10 70 705 59 58 53 49 37 31 295 255

11 46 315 25 375 335 32 135 65 2 35

12 55 51 42 47 42 395 255 195 24 125

13 585 66 495 535 515 455 345 31 355 27

Măsurarea diverselor mărimi icircn cele 13 regimuri caracterizate mai sus

Regimul 1

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

71 4072 925 1735 428 148 6584 7447

72 3621 821 1539 542 145 5038 6162

725 340 847 1588 509 14 4709 6657

735 3467 902 1691 456 132 5384 8496

26

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 27: transfer caldura

75 3135 954 1789 411 12 5172 8806

77 3209 953 1787 424 104 58 10931

82 2728 943 1768 453 92 4833 9325

88 2767 1078 2022 371 84 5892 12184

96 2842 1081 2027 405 88 6004 13295

104 2825 1016 1905 497 103 5493 13124

113 2896 1147 2151 425 124 534 14191

120 2945 1140 2138 457 147 4705 1408

125 280 1235 2316 404 173 369 11729

127 325 1168 219 466 20 4027 15638

129 3148 121 2269 44 23 282 11493

130 325 1064 1995 581 26 1888 8113

Regimul 2

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

945 4293 1075 2016 425 132 876 7063

95 3635 933 175 554 122 629 6201

955 3381 1012 1898 469 115 6305 7326

97 3109 1083 2031 412 112 6361 822

100 2747 1084 2033 419 84 5865 7676

105 2307 1111 2083 412 7 5115 7235

1125 2246 1101 2065 449 54 5401 7903

122 2161 1267 2376 366 46 6214 9648

1325 1967 1318 2472 365 48 5667 8821

144 1973 1058 1984 587 54 4382 7001

157 2098 1422 2667 373 62 605 1007

169 216 1418 2659 405 8 5771 9263

180 2171 1393 2612 447 108 4336 7637

185 2166 1425 2672 439 14 3098 5651

187 210 1424 267 444 184 1044 1942

1885 2229 1287 2413 55 22

27

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 28: transfer caldura

Regimul 3

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

89 3337 988 1853 458 128 5667 6927

90 2910 904 1695 545 122 4344 5897

905 2664 969 1817 473 114 4175 6345

925 2382 1085 2035 382 106 408 6738

95 2211 1072 201 399 92 3957 719

99 2166 1086 2037 405 78 4317 8338

107 2087 1030 1932 485 68 4168 8795

117 196 1230 2307 37 605 481 10714

1275 1892 1278 2397 373 6 4771 1113

139 1941 1152 216 501 64 4324 10856

151 2019 1373 2572 385 7 5213 14285

164 1969 1383 2593 411 9 4245 15796

175 1967 1443 2706 403 12 3162 10543

180 210 1371 2571 461 16 1914 7909

182 210 1411 2646 44 204

183 2238 1293 2425 529 25

Regimul 4

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

81 3678 948 1778 458 132 6193 6978

81 3091 849 1592 56 118 4551 5717

815 2883 913 1712 483 102 48 667

82 2885 103 1931 382 84 5963 9262

83 2568 939 1761 46 68 5059 8535

85 251 98 1838 432 54 5527 11758

90 2287 948 1778 485 44 504 9047

98 2531 1107 2076 39 4 678 11071

107 2168 1174 2201 375 39 6025 12541

28

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 29: transfer caldura

116 2224 1125 211 443 4 5916 13103

127 216 1275 2291 41 48 6174 14718

13 230 1263 2368 419 68 5865 14955

146 2531 1361 2552 385 96 6076 17774

147 230 1265 2372 445 132 3515 11151

149 2537 1322 2479 416 178 2805 1031

150 2486 121 2269 50 22 964 3601

Regimul 5

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

51 4627 805 1509 414 16 6608 6464

52 4462 71 1331 54 158 5567 6381

525 4111 716 1343 534 155 5022 6506

55 3636 82 1537 416 149 4864 6772

575 3393 807 1513 444 138 4518 6618

60 3141 829 1554 436 12 4508 7081

645 300 76 1425 554 10 4283 6972

68 3071 956 1793 37 7 6412 10844

74 300 1023 1918 351 88 6123 10939

79 2939 922 1729 46 94 5204 9728

84 3149 1021 1915 406 108 5929 12139

89 3087 1058 1984 396 13 5293 11507

94 3231 1116 2093 377 164 4929 16449

97 325 1075 2016 42 21 3404 13888

102 3621 1154 2164 388 274 2749 15074

1025 3382 969 1817 549 336

Regimul 6

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 5297 673 1262 465 132 7209 612

29

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 30: transfer caldura

39 5007 636 1193 514 124 6405 648

395 488 637 1194 517 118 641 741

40 4378 709 1329 415 114 5303 7885

41 4032 702 1316 429 115 5587 7369

43 3714 713 1337 431 125 487 6862

45 362 647 1213 546 136 4052 6149

48 3764 809 1517 374 15 505 8359

52 3672 831 1558 383 16 4747 8381

57 3792 79 1481 466 17 4539 8597

61 3825 881 1652 402 177 4964 9993

64 3833 853 160 449 185 4631 9671

66 3927 939 1761 384 192 5145 11592

68 4096 909 1705 428 198 523 12535

69 4117 926 1737 415 203 5323 13294

69 425 828 1553 522 208 4864 12115

Regimul 7

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

85 5058 983 1843 47 144 9599 7545

86 4241 922 1729 525 138 722 6934

87 4113 929 1742 52 13 7188 8176

89 3939 998 1871 459 119 7583 9799

92 3658 1036 1943 435 98 7734 11581

96 3231 1084 2033 409 78 7485 10591

103 3037 1036 1943 477 63 7066 10415

110 3088 1215 2278 371 55 8994 13723

120 2898 1241 2327 385 56 825 12856

130 3074 1144 2145 494 62 7951 12935

142 2933 1344 252 389 73 839 13886

153 3082 1331 2496 43 108 7488 13063

165 3016 1393 2612 422 126 6861 12118

30

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 31: transfer caldura

172 2778 1331 2496 478 164 4238 7604

175 3476 1362 2554 476 205 5332 10913

178 3347 1273 2387 552 252 2873 6146

Regimul 8

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

76 247 92 1725 438 105 3711 3912

77 2525 843 1581 529 96 3749 4058

78 2351 84 1575 537 86 3576 4159

80 2178 1008 189 38 76 4099 4937

83 210 921 1727 471 65 3842 4468

86 1963 1038 1946 382 56 4206 5561

93 2027 886 1661 569 5 3907 6439

100 1765 1126 2111 375 45 4298 7683

110 1909 1178 2209 379 44 5012 8738

120 1823 1105 2072 469 46 4367 8692

130 168 1216 228 417 54 4023

141 1771 1256 2355 425 68 3962

150 190 1318 2472 412 88 3866

154 170 1274 2389 45 112 2123

156 210 1318 2472 432 138 2697

157 2046 1161 2177 56 166 1269

Regimul 9

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

58 345 844 1583 394 11 5537 9344

59 33 783 1468 464 95 5163 10876

60 33 764 1432 494 79 5395 13564

625 3284 839 1573 536 66 621 18686

65 33 884 1658 398 56 6841 24284

31

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 32: transfer caldura

69 33 944 177 37 46 7585 31026

74 33 82 1538 525 4 6734 31919

82 3238 1013 190 38 36 8214 4561

89 31 1113 2087 343 36 8804 4996

99 3296 1038 1946 438 38 8576 5165

108 31 1129 2117 403 44 8528 94138

116 31 1186 2224 394 6 8397

123 33 1282 2404 359 8 9016

126 345 1172 2198 444 106 7825

127 33 1262 2367 386 136 6822

127 33 1070 2006 541 164 4925

Regimul 10

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

36 4183 65 1219 419 125 5242 8148

36 4205 606 1136 481 115 5097 9723

37 4161 623 1168 467 104 5368 16633

375 4036 684 1283 39 88 5989 1444

39 3908 67 1256 422 74 5916 16018

41 3901 753 1412 346 6 6945 21122

43 355 599 1123 575 5 5143 16094

45 36 775 1453 36 45 7091 23087

48 3457 834 1564 33 5 6954 24138

52 36 781 1464 411 64 6664 23046

56 3669 81 1519 412 8 6497 24747

60 36 80 15 455 104 5887 22807

62 36 944 177 339 128 6499 26054

65 3837 92 1725 377 148 5974 2545

665 3851 892 1673 411 162 5468 22469

67 3781 757 1419 575 17 6408 2337

32

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 33: transfer caldura

Regimul 11

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

74 31 872 1632 47 114 4796 10224

745 3081 809 1517 547 109 4525 11707

75 3184 819 1536 538 105 4905 15604

78 31 989 1855 383 98 590 22531

80 3036 929 1742 444 92 5543 25206

83 3043 1034 1939 372 84 6431 33252

88 2997 923 1731 493 75 5869 38561

94 30 1167 2188 329 63 7803 60752

101 31 1189 223 34 58 8488 33705

110 31 1079 2023 45 54 7831 29007

120 31 1281 2402 348 52 9372

130 31 1281 2402 377 52 9372

141 31 1371 2571 358 58 9788

150 31 130 2438 424 66 8989

157 31 1346 2524 415 8 8738

164 31 1186 2224 524 86 7491

Regimul 12

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

39 165 748 1402 327 10 1401 1606

39 18 566 1062 571 95 1384 1679

395 18 606 1136 505 88 1606 2175

40 1734 692 1297 392 8 1866 2353

41 1704 717 1345 372 7 2083 2789

43 1712 768 144 34 6 2475 2878

45 165 611 1146 56 5 2041 3494

48 1544 766 1436 38 51 2305 4388

52 165 944 177 266 48 3210 5639

33

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 34: transfer caldura

59 165 786 1474 444 53 2498 5627

65 165 842 1579 427 62 2515

71 165 846 1586 464 8 2079

76 165 991 1858 364 112 1510

79 165 95 1781 413 13 95

82 165 934 1752 445 16

85 165 848 159

Regimul 13

∆p1 Tef Df wf ζf Tif Qf αj

mm CA oC m3h ms oC J Jm2soC

20 2706 449 842 477 15 152 1875

20 25 363 681 728 154 971 1061

20 2607 409 767 574 146 132 1788

20 2591 495 928 392 14 1661 2116

205 2301 488 915 410 13 1384 1765

21 2298 497 932 404 118 1563 2151

22 2263 377 707 701 106 1682 2723

235 2233 526 986 395 98 1882 3211

25 235 587 110 345 10 2257 3600

28 2288 562 1054 421 108 1933 2248

31 235 587 11 429 12 2083

33 235 579 1086 47 141 1539

34 2401 613 1149 435 17 1208

355 1448 58 1087 518 20 726

36 25 612 1149

365 25 552 1035

34

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 35: transfer caldura

34 INTERPRETAREA REZULTATELOR

35

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 36: transfer caldura

Fig 33 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α la diferite regimuri

de funcţionare

36

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 37: transfer caldura

Fig 34 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

Fig 35 Variaţiile supratemperaturilor corespunzătoare diferitelor fante de răcire icircn funcţie de regimurile de funcţionare

35 OBSERVAŢII ŞI COMENTARII

1 Icircncercările experimentale pe modelul fizic de bară rotorică au fost efectuate

pentru icircncărcări termice corespunzătoare densităţilor de curent cuprinse icircntre

297 Amm2 (regimul 11) şi 467 A mm2 (regimul 2)

2 Deşi icircncărcarea electrică este cea mai mare pentru regimul 2 solicitările

termice cele mai pronunţate s-au obţinut pentru regimul 7 (J = 459 Amm2)

deoarece pentru acest regim nu s-a mai putut asigura un debit de aer de aceeaşi

37

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 38: transfer caldura

valoare ca icircn cazul regimului 2 (pentru regimul 2 Dt = 135 m3h iar pentru

regimul 7 Dt = 123 m3h )

3 Supratemperatura cea mai ridicată icircn bara rotorică s-a obţinut la o distanţă de

55 mm de capăt (fig 36 regimul 7) unde aceasta a atins valoarea de 142 oC

Această icircncălzire mai pronunţată a capătului de bară s-a datorat lipsei canalelor

radiale de ventilaţie pe o lungime de 172 mm de la capătul barei

4 Dacă la supratemperatura maximă de 142 oC se adaugă temperatura aerului la

intrarea icircn canalul principal de ventilaţie de 40 oC prevăzută icircn standarde s-ar

obţine o temperatură icircn punctul cel mai cald de 182 oC temperatură ce

depăşeşte valoarea de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H La data efectuării

icircncercărilor experimentale temperatura de intrare a aerului icircn fantele de

ventilaţie a avut valoarea maximă de 252 oC Pentru această valoare a

temperaturii aerului rezultă o temperatură maximă icircn bara de cupru de 1672 oC temperatură superioară valorii de 150 oC impusă de clasa de izolaţie H

5 Bara rotorică a fost impregnată prin procedeul de picurare cu lacul

electroizolant de impregnare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate

icircn solvent reactiv icircn clasa termică H (180degC) izolaţie care a rezistat la

solicitări termice mai mari de 150 oC (icircn cazul regimului 7 atingacircnd valoarea

de 1672 oC)

Fig 36 Distribuţia temperaturii icircn axa longitudinală

6 Distribuţia longitudinală a presiunii statice icircn canalul de admisie inferior (fig

37) are o alură crescătoare căderea de presiune disponibilă fiind mai mare

pentru fantele situate spre centrul crestăturii şi mai mică la capete Aceasta se

38

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 39: transfer caldura

explică prin faptul că pe măsură ce aerul circulă icircn canalul de admisie spre

punctul de stagnare (punctul de icircntacirclnire a celor două jeturi de aer icircn planul

median transversal al bobinei) viteza scade reducerea energiei cinetice

conducacircnd la o creştere a presiunii statice Totuşi creşterea presiunii statice

este destul de mică aceasta se datorează icircngustării canalului spre centrul său

căderea de presiune icircn acest canal contribuind la aplatizarea curbei

Fig 37 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de dispunerea lor pe lungimea

modelului de crestătură

7 Icircn figura 38 se indică variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn

funcţie de debitul de aer vehiculat Căderea de presiune totală a rezultat din

măsurarea presiunii statice la intrarea icircn instalaţie icircnainte de camera de

distribuţie icircn canalul de admisie Se observă că există o bună corelaţie icircntre

curba din figura 38 şi ecuaţia parabolică Presiunea maximă la

debitul maxim vehiculat nu a depăşit valoarea de 170 mm col Hg cong1312 mm

col Apă

2tt aDp =∆

8 Variaţia debitelor de aer icircn fante funcţie de dispunerea fantelor pe lungimea

modelului de crestătură respectiv pentru densităţile medii de curent J = 305

345 404 şi 463 Amm2 este prezentată icircn figura 39 icircn care se observă o

39

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 40: transfer caldura

tendinţă de creştere a debitelor de la capetele bobinei spre planul transversal

median al crestăturii

Fig 38 Variaţia căderii de presiune totală icircn sistemul de răcire icircn funcţie de debitul de aer

vehiculat

Fig 39 Variaţia debitelor de aer icircn fante icircn funcţie de distribuţia lor pe lungimea modelului

40

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 41: transfer caldura

9 Icircn figura 310 este prezentată variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea

icircnălţimii barei icircn funcţie de numărul Re pentru cele patru densităţi de curent

JA JB JC şi JD (vezi tabelul de la pag 23)

Fig 310 Variaţia temperaturii icircn fanta 15 la jumătatea icircnălţimii barei icircn funcţie

de numărul Re

10 Variaţiile coeficientului de transfer de căldură prin convecţie α icircn fantele 1 5

8 şi 10 icircn funcţie de regimurile de funcţionare sunt reprezentate icircn figurile 34

valorile maxime icircn fiecare din aceste fante sunt obţinute pentru regimul 9 icircn

acest regim condiţiile de transfer de căldură prin convecţie fiind optime

11 Valorile coeficientului de căldură prin convecţie pentru un regim de

funcţionare diferă de la fantă la fantă astfel icircncacirct stabilirea unui legi de

distribuţie este extrem de dificil de obţinut Prin urmare pentru fiecare sistem

de ventilaţie sunt necesare determinări experimentale pe un model fizic pentru

a determina cu acurateţe ridicată cacircmpul de temperaturi

41

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 42: transfer caldura

4 CONCLUZII GENERALE

Obiectivul prezentului proiect a fost realizarea pentru prima dată icircn ţară a unui lac

electroizolant de impregnare prin picurare icircn două componente pe bază de răşini dizolvate icircn

solvent reactiv pentru clasa termică H (180degC) şi utilizarea lui icircn cadrul echipamentelor

electrotehnice icircn vederea reducerii gabaritului acestora

Realizarea acestui tip de lac electroizolant se icircncadrează icircn tendinţele de dezvoltare

dictate de problemele majore pe care le icircntacircmpină astăzi societatea industrială reducerea

poluării mediului reducerea consumului de energie şi economisirea hidrocarburilor şi

derivatelor lor icircmbunătăţirea performanţelor şi reducerea gabaritului produselor creşterea

productivităţii muncii şi a rentabilităţii fabricaţiei

Caracteristicile lacului electroizolant de impregnare prin picurare realizat icircn cadrul

proiectului sunt prezentate icircn tabelul următor

Nr crt

Caracteristici Lac electroizolant de impregnare prin picurare

1 Natura răşinii Poliester nesaturat

2 Solvent reactiv Stiren 3 Caracteristicile componentelor (lac şi icircntăritor)

31 Aspectul Lichide omogene transparente fără depuneri

32 Timpul de curgere cupa 5 mm 23degC s 26 ndash 30 4 Caracteristicile amestecului componentelor 41 Timpul de gelifiere 5 ndash 7 min la 100degC 5 Caracteristicile produsului icircntărit 51 Rigiditatea dielectrică la 23degC kVmm 110 52 Rezistivitatea de volum Ωxcm

- la 23deg - după imersie 168 ore icircn apă distilată la 23degC

68x1016

40x1015

53 Factorului de pierderi dielectrice (tg δ) la 1kHz 0007

54 Permitivitatea relativă (εr) 336

55 Forţa de lipire (determinată pe bobine elicoidale) kgf 153

6 Indice de temperatură (determinat pe torsade din conductor emailat) - la 20000 ore

- la 10000 ore - la 2000 ore

178 191 224

Lacul electroizolant realizat se aplică prin procedeul de impregnare prin picurare

42

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 43: transfer caldura

Impregnarea prin picurare a statoarelor şi rotoarelor maşinilor electrice constă icircn

aplicarea unei cantităţi stabilite de lac de impregnare icircn fir subţire pe partea frontală a

bobinajului preicircncălzit icircn prealabil Procedeul constă din trei faze distincte şi anume

preicircncălzirea bobinajului picurarea lacului şi polimerizarea lacului Icircntreaga operaţie

durează 15-25 minute icircn funcţie de caracteristicile bobinajului de impregnat Preicircncălzirea

poate fi efectuată prin efectul Joule cu raze infraroşii prin convecţie icircn cuptor Impregnarea

se efectuează cacircnd bobinajul ajunge la temperatura de 105-120degC după care se ridică

temperatura la 130-135ordmC pentru reticularea totală a lacului menţinacircndu-se la această

temperatură timp de 15-20 minute

Procedeul de impregnare prin picurare prezintă o serie de avantaje faţă de procedeele

convenţionale de impregnare şi anume

bull spaţiu necesar redus datorită instalaţiilor mult mai mici

bull timpi scurţi de impregnare şi funcţionare continuă a instalaţiei

bull manipularea unor cantităţi mici de lac şi reducerea pierderilor de material prin

scurgere

bull reducerea consumului de energie datorită faptului că nu se mai icircncălzeşte icircntreaga

masa de fier şi cupru a motorului ci numai masa de cupru ce constituie

icircnfăşurarea

bull timpi scurţi de icircntărire datorită faptului că se utilizează lacuri electroizolante icircn

două componente

bull reducerea problemelor de poluare pe care le prezintă băile de lac şi solvenţii ce se

degajă icircn timpul uscării icircn cuptoare a lacurilor care conţin solvenţi volatili

bull creşterea icircnsemnată a productivităţii muncii şi reducerea cheltuielilor de

impregnare

Prin realizarea prezentului proiect se preconizează la producătorul de lac

SC CHIMTITAN SRL o creştere a producţiei cu circa 100 tonean ceea ce icircnseamnă o

creştere a cifrei de afaceri cu circa 300000 EUROan respectiv un profit brut anual de circa

45000 EUROan

La potenţialii utilizatori ai produsului producătorii de echipamente electrotehnice se

estimează creşterea cifrei de afaceri prin creşterea productivităţii muncii datorită timpilor

scurţi de impregnare prin tehnologia de picurare icircn condiţiile icircn care nu au toţi nevoie de

investiţii suplimentare deoarece au icircn dotare instalaţii pentru impregnare prin picurare Prin

aplicarea tehnologiei de picurare se estimează la utilizatori o reducere a consumului de lac

43

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 44: transfer caldura

cu circa 40 şi o reducere a consumului energetic cu 20 ndash 50 De asemenea se estimează şi

diversificarea producţiei prin adoptarea soluţiei de reducere a gabaritului echipamentelor

Atacirct la producător cacirct şi la utilizatorii produsului se estimează o reducere a

cheltuielilor pentru sistemele de ventilaţie cu 20 şi a cheltuielilor pentru icircntreţinerea

acestora cu 50

Utilizarea clasei de izolaţie H (1800C) icircn construcţia echipamentelor electrotehnice

permite adoptarea unor solicitări electromagnetice mai mari comparativ cu maşinile electrice

realizate icircn clasele de izolaţie B (1300C) şi F (1550C) utilizate cu precădere icircn prezent icircn

aparatura casnică sau conduce la reducerea gabaritului acestor echipamente icircn condiţiile

conservării puterii nominale

Pentru determinarea icircncălzirii diverselor puncte ale maşinii s-au folosit programele de

calcul al cacircmpului termic realizate pe baza algoritmilor dezvoltaţi pe parcursul cercetării prin

abordarea modelelor termice echivalente şi utilizacircnd metode numerice Acurateţa calculelor

este asigurată de determinarea cu o cacirct mai bună precizie a coeficienţilor de transfer de

caldură prin conducţie şi prin convecţie Valoarea corectă a coeficienţilor de transfer de

caldură s-a determinat prin experimente pe modele fizice (motoare electrice)

5 LUCRĂRI ELABORATE PE BAZA CERCETĂRII DESFĂŞURATE IcircN

CADRUL PROIECTULUI

1 Lucia Dumitriu M Iordache N Voicu bdquoSymbolic Hybrid Analysis of Nonlinear Analog Circuits rdquo Proc of the European Conference on Circuit Theory and Design ECCTDrsquo07 Sevilla Spain 26-30 August 2007 pp 970-973 on CD IEEE Catalog Number 07EX1835C ISBN 1-4244-1342-7 Library of Congress 2007928156

2 M Iordache N Voicu Lucia Dumitriu Camelia Petrescu rdquoSteady-State Thermal Field Analysis of the Turbo-Generator Rotor with Direct Cooling bdquo Proceeding of the International Symposium on Electrical Engineering and Enery Converters ELS 2007 27-28 September 2007 Suceava ndash ROMANIA pp 14 ndash 19 ISBN 978 ndash 973 ndash 666 ndash 259 -1

3 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Catalin Dumitriu Nicolae Voicu Dragos Niculae ldquoHybrid symbolic method for steady-state thermal field analysisrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to ERA October 24-26 Brasov Romania 2007 Editura Tehnică ISSN 1843 ndash 5904 pp 258_1 ndash 258_6

4 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Dragoş Niculae rdquoA New Generalised Hybrid Method for Nonlinear Analog Circuit Analysisrdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo07 12-14 October 2007 Bucharest UPB on CD pp 34 ndash 44 ISBN 973-718-096-8

5 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Catalin Dumitriu Dragos Niculae ldquoA new electro insulating varnish in H class used to improve the electrical motor performancesrdquo Conference Excellence Research ndash A Way to Innovation July 27-29 Brasov Romania 2008 Editura Tehnică ISSN 1844 ndash 7090 pp 258-1 ndash 258-6

44

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45

Page 45: transfer caldura

6 M Iordache Lucia Dumitriu N Voicu C Dumitriu ldquoSimulation of induction motor ventilation system by electric modelingrdquo Proc of the 12th WSEAS International Conference on Circuits ndash New Aspects of Circuits HHeerraakklliioonn GGrreeeeccee JJuullyy 2222--2244 22000088 IISSBBNN 997788--996600--66776666--8822--44 IISSSSNN 11779900--55111177 pppp 4455--4488

7 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Elena Rotar Gabriela Nicolescu Aurora Joga Nicolae Voicu Dragos Niculae rdquoImprovement of the electrical motor performances by using an electro insulating varnish in H class and a trickle impregnation procedurerdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

8 Arif Mammadov Neculai Galan Lucia Dumitriu Hikmat Hasanov Mihai Iordache Mihai Predescu rdquoThree ndashPhase Asynchronous Motor with Axial Flux and General Mathematic Modelrdquo 4th

International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

9 Mihai Iordache Lucia Dumitriu Neculai Galan Mihai Predescu Nicolae Voicu Arif Mammadov Dragos Niculae rdquoModeling the ventilation system of the electrical machines bz electric circuitsrdquo TPE 2008 Sept 4-6 2008 Pitesti Romania

10 Mihai Iordache Mihai Dogaru Dragos Niculae rdquoAsupra modelării regimurilor dinamice ale maşinii sincronerdquo Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica SNETrsquo08 5-7 Iunie 2008 Bucureşti UPB on CD pp 10 - 20 ISBN 978-606-521-045-5

45