Riassunto analitico
I trasformatori di potenza hanno un ruolo fondamentale all’interno delle reti elettriche
di trasmissione e distribuzione dell’energia. Pur essendo macchine piuttosto efficienti,
con rendimenti molto elevati (η > 99%), una parte dell’energia elettrica viene dissipata
nel sistema in forma di calore. Le temperature che si sviluppano nelle zone attive della
macchina determinano l’affidabilità e la durata della vita operativa del trasformatore
stesso. Particolare attenzione, quindi, deve essere posta nella progettazione del sistema
di raffreddamento.
Nel presente lavoro sono state effettuate diverse modellazioni computazionali della
bobina di bassa tensione di un trasformatore di potenza immerso in olio. L’obiettivo è
la comprensione dei fenomeni termofluidodinamici che influiscono sulla distribuzione di
temperatura quando il moto del fluido nel trasformatore è governato dalla convezione
naturale.
I modelli numerici sono stati ottenuti mediante approccio CFD (Computational Fluid
Dynamics). Per la creazione delle mesh è stato impiegato il software commerciale Pointwise,
mentre i calcoli sono stati processati tramite il codice open source OpenFOAM.
Inizialmente è stato creato un modello del caso di tipo 2D limitato a solo una prima
parte dell’avvolgimento, sfruttando l'ipotesi di assialsimmetria della geometria.
Dopo avere effettuato una validazione di tale modello rispetto al caso di riferimento
presente in letteratura, si è creato un secondo modello di tipo 3D, prendendo in considerazione
l’effettiva geometria dell’avvolgimento. L’estensione a questo tipo di modellazione
è stata necessaria per uno studio degli effetti tridimensionali del moto dell’olio, non osservabili
nel 2D. Sono state notate delle differenze dal punto di vista delle distribuzioni di
temperatura nelle due modellazioni, con un’inevitabile maggiore correttezza del modello
tridimensionale. Per quest’ultimo, però, è stato necessario un tempo computazionale molto
maggiore. Si è proceduto, poi, a un'estensione del modello 2D citato precedentemente
all’intero avvolgimento in modo da ottenere una completa caratterizzazione dell’andamento
di temperatura all’interno del trasformatore, con l’intento specifico di conoscere la
localizzazione del punto più caldo ("hot-spot").
Sfruttando l’ultimo modello citato, è stato poi effettuato anche un confronto tra l’impiego
di olio minerale standard e un estere naturale utilizzato come fluido refrigerante. Da
questa analisi emerge che le distribuzioni di temperatura per i due fluidi sono differenti.
Tutti i casi studiati dimostrano come la distribuzione di temperatura lungo l’avvolgimento
e il flusso di fluido refrigerante nei diversi canali siano intimamente legati, con
piccole variazioni nei parametri della simulazione che possono influire fortemente sui risultati.
Inoltre, i modelli computazionali impiegati si sono dimostrati affidabili nella
localizzazione della zona di hot-spot e nel suo valore numerico di temperatura, portando
a dei risultati in linea con gli articoli di riferimento presenti in letteratura.
Ricavare modelli computazionali attendibili in questo ambito risulta fondamentale
non solo per uno studio approfondito dei fenomeni fisici presenti in zone difficilmente
sondabili sperimentalmente, ma anche per essere in possesso di strumenti per una migliore
calibrazione dei metodi semplificati (ad esempio i fogli di calcolo) largamente impiegati
in campo industriale.
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