Upload
gheorghe-silviu
View
256
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Aparate electrice
Citation preview
1 PROCESE TERMICE IcircN APARATELE ELECTRICE Icircn aparatele electrice (dar şi icircn motoarele electrice sau orice alt dispozitiv ce foloseşte energia electrică) se dezvoltă necontenit căldură datorită transformării unei părţi din energia electromagnetică icircn energie termică Principalele surse de căldură dintr-un parat electricsunt conductoarele parcurse de curentul electric miezurile de fier străbătute de fluxuri magnetice variabile icircn timp arcul electric (dintre piesele de contact deschise) pierderile de putere activă din izolaţii şi ciocnirile mecanice Celelalte elemente ale aparatului care nu sunt surse de căldură pot fi puternic solicitate termic prin propagarea căldurii de la un corp la altul prin conducţie termică Căldura ce se dezvoltată icircn aparatele electrice face ca temperaturile diferitelor părţi ale acestora să crească icircn timp pacircnă la o valoare staţionară (corespunzătoare regimului staţionar) cacircnd icircntreaga căldură produsă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin convecţie Pentru a se asigura o funcţionare sigură şi de durată a aparatelor elctrice (din punctul de vedere al solicitărilor termice) standardele impun (ca icircn funcţie de materialele utilizate şi condiţiile de exploatare ale aparatului electric) anumite limite maxim admisibile pentru temperaturile din regimul staţionar
11 Cacircmpul termic
Temperatura ca mărime de stare ce caracterizează energia internă a unui corp este principalul factor ce influenţează durata de viaţă şi stabilitatea icircn funcţionare a unui aparat electric Rezultă că este necesară cunoaşterea variaţiei icircn timp şi a repartiţiei spaţiale a temperaturii Repartiţia temperaturilor icircntr-un corp este o funcţie de spaţiu şi timp adică θ = θ(x y z t) [degC] (11) Pentru un cacircmp termic staţionar (invariabil icircn timp) se obţine o repartiţie doar spaţială a temperaturii care se exprimă astfel θ = θ(x y z) [degC] (12)
Deoarece temperatura este o mărime care poate fi caracterizată icircntr-un sistem de măsură dat printr-un singur număr nefiind legată de noţiunea de direcţie şi sens cacircmpul de temperaturi este un cacircmp scalar Definim supratemperatura sau icircncălzirea (τ) ca diferenţa dintre temperatura corpului (θ) şi temperatura mediului ambiant (θa) τ = θ ndash θa = T ndash Ta [degC] [K] (13) icircn care temperaturile θ şi θa se măsoară icircn grade Celsius iar temperaturile absolute T şi Ta icircn Kelvin Icircncălzirea fiind o diferenţă de temperaturi se măsoară icircn grade Celsius [degC] sau Kelvin Icircn regim staţionar relaţia (13) devine τs = θsndash θa (14) unde τs şi θs sunt icircncălzirea şi respectiv temperatura icircn regim staţionar Supratemperatura staţionară la care ajung diferitele părţi ale aparatului depinde de regimul de funcţionare a acestuia şi de temperatura mediului ambiant Valorile temperaturii mediului ambiant sunt stabilite prin standarde pentru diferite zone climatice Valorile temperaturilor maxim admisibile pentru diversele subansamble care compun aparatul icircn regimul de funcţio-nare normal sau de avarie depind de materialele folosite la construcţia sa şi sunt date icircn standarde Deoarece puterea aparatului este determinată de supratemperaturile maxim admisibile icircn diferitele lui părţi rezultă că icircncălzirea admisă pentru un anumit element al aparatului trebuie aleasă icircn aşa fel icircncacirct să asigure o putere maximă la o durată de funcţionare prestabilită (prin standarde sau de beneficiari) Verificarea supratemperaturii maxime admise se va face asupra celor mai sensibile părţi ale aparatului căilor de curent izolaţiile electrice elementelor elastice lipituri şi contacte Pentru ca icircncălzirea nici unui punct din aparat să nu depăşească limitele admise de standarde este necesar ca disiparea căldurii către mediul ambiant să fie cacirct mai activă Condiţiile de disipare a căldurii dintr-un aparat electric către mediul ambiant reprezintă unul din criteriile fundamentale de dimensio-nare a aparatelor electrice şi de aceea este necesară cunoaşterea surselor de icircncălzire şi transferul de căldură icircn aparat şi spre mediul ambiant Prin studiul solicitărilor termice ale aparatelor electrice se urmăreşte determinarea prin calcul a icircncălzirii diferitelor părţi ale aparatului la un anumit regim de funcţionare şi icircn icircn comndiţii bine determinate Totalitatea punctelor cu aceiaşi temperatură dintr-un cacircmp termic formează o suprafaţă izotermă sau suprafaţă de nivel Pentru a ajunge de la o izotermă la o altă izotermă pe drumul cel mai scurt se utilizează vectorul gradient (grad θ) definit astfel
kz
jy
ix
grad sdotpartθpart
+sdotpartθpart
+sdotpartθpart
=θ [grdm] (15)
Astfel se asociază fiecarui punct al cacircmpului de temperatură θ(x y z) o valoare determinată pentru vectorul grad θ iar funcţia grad θ = f(x y z) reprezintă un cacircmp vectorial plan al gradienţilor de temperatură Sensul pozitiv al gradientului de temperatură este sensul icircn care temperatura creşte de la o izotermă la alta iar direcţiile grad θ şi a izotermelor icircn fiecare punct sunt perpendiculare Conform legilor calorimetriei icircntre două puncte icircnvecinate cu temperaturi diferite energia calorică se propagă de la punctul cu temperatură mai mare spre punctul cu temperatură mai mică Sensul acestei energii de egalizare (caracterizat de un flux termic P) coincide cu sensul descreşterii temperaturii Definim drept cădere de temperatură (∆θ) valoarea negativă a gradientului de temperatură ∆θ = ndashgrad θ [degC] (16) Dacă raportăm căldura transmisă icircntre două izoterme (dQ) la timpul icircn care are loc acest transfer de căldură obţinem fluxul termic P
dtdQP = [W] (17)
Raportacircnd fluxul termic la unitatea de suprafaţă se obţine densitatea fluxului termic (q )
]mW[dAdPq 2= (18)
Pentru un flux omogen adică un flux care are aceeaşi valoare icircn toate punctele suprafeţei A rezultă
]mW[APq 2= (19)
Icircntre punctele cu temperaturi diferite dintr-un aparat electric are loc o egalizare a energiilor calorice care se poate caracteriza matematic prin densitatea de flux termic ( q ) Aceasta pe lacircngă valoarea numerică are o direcţie şi un sens bine determinat icircn spaţiu adică este o mărime vectorială Rezultă că icircn cazul general funcţia q = f(x y z t) reprezintă un cacircmp vectorial spaţio-temporal care indică sensul de propagare a căldurii Icircn regim staţionar cacircmpul vectorial al dennsităţii de flux termic este doar o funcţie spaţialăq = f(x y z)
Figura 11 Mărimile ce caracterizează transferul de căldură icircntre două
suprafeţe izoterme Icircn figura 11 este reprezentată propagarea prin conducţie a căldurii printr-o suprafaţă elementară de aria dA icircntre două suprafeţe izoterme după direcţia versorului normalei la izotermă n Se observă că vectorul q are sens contrar cu versorul n şi gradθ iar propagarea căldurii avacircnd loc de la suprafaţa cu temperatură mai mare (θ + dθ) la suprafaţa cu temperatura mai mică (θ) Principala sursă de icircncălzire icircn aparatele electrice o constituie dezvoltarea căldurii prin efect electrocaloric (Joule-Lenz) icircn conductoarele parcurse de curent Expresia energiei transformate icircn căldură icircn conductoarele parcurse de curent electric este dată de Legea transformării energiei icircn conductoare sau forma locală a legii lui JoulendashLenz jEp sdot= [Wm3] (110) Adică puterea specifică p dezvoltată icircn unitatea de volum a conductorului icircn procesul de conducţie electrică este dată de produsul scalar dintre intensitatea cacircmpului electric E [Vm] şi densitatea de curent j [Am2] Puterea specifică se poate măsura şi icircn [WKg] Ţinacircnd cont de Legea lui Ohm Ej sdotσ= [Am2] (111) şi de expresia conductivităţii electrice σ = ρndash1 (112) rezultă p = j2 middot ρ (113) Icircn care σ [Sm] este conductivitatea electrică iar ρ [Ω middot m] este rezistivitatea electrică a materialului conductor
Pentru a obţine forma integrală a Legii transformării energiei icircn conductoare filiforme (adică considerăm densitatea de curent constantă icircn secţiunea transversală a conductorului) integrăm relaţia (113) pe volumul V al conductorului obţinacircnd puterea P produsă prin efect electrocaloric (ire-versibil) ]W[iRiudliEdlAjEdVjEP 2
lV V
sdot=sdot=sdotsdot=sdotsdot=sdot= intint int (114)
icircn care A ndash aria secţiunii transversale a conductorului u ndash tensiunea electrică R ndash rezistenţa electrică a conductorului i ndash curentul electric prin conductor Consideracircnd fluxul termic P căldura dezvoltată icircn intervalul de timp dt se scrie int sdot= dtPQ (115) Dacă fluxul termic P este constant icircn timp rezultă Q = P dt ecuaţie echivalentă cu (17)
12 Ecuaţiile cacircmpului termic
Pe baze empirice s-a dedus legătura dintre densitatea de flux termic q şi cacircmpul vectorial grad θ sub forma unei dependenţe liniare q = ndashλ middot grad θ (116) Rezultă că densitatea fluxului termic q este proporţională cu căderea de temperatură ∆θ (conform figurii 11) adică direcţiile celor două mărimi coincid Rezultă că propagarea căldurii se face perpendicular pe izoterme după direcţia gradientului de temperatură Constanta de proporţionalitate λ [Wmmiddotgrd] se numeşte conductivitate termică şi caracterizează materialele din punctul de vedere al conducţiei termice Pentru un mediu izotrop şi omogen λ este constantă icircn orice direcţie şi icircn orice punct al corpului Deşi λ depinde de temperatură icircn majoritatea aplicaţiilor se neglijează această dependenţă şi se consideră λ ca o constantă de material Dacă mediul nu este omogen λ este o funcţie de punct λ = λ(x y z) iar dacă mediul este şi anizotrop λ este un tensor adică λ depinde de direcţie astfel icircntr-un sistem de axe carteziene λx λy şi λz reprezintă conductivităţile termice după direcţia axelor x y şi z Icircn acest caz icircn locul relaţiei (116) se pot scrie relaţiile
z
qy
qx
q zzyyxx partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus= (117)
Rezultacircnd
sdot
partθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλminus=sdot+sdot+sdot= kz
jy
ix
kqjqiqq zyxzyx (118)
Deoarece divergenţa densităţii de flux termic q reprezintă o măsură pentru sursa de căldură din unitatea de volum (adică pentru căldura specifică p) putem scrie div q = nabla middot q = p (119) icircn care s-a notat cu nabla operatorul de derivare
kz
jy
ix
sdotpartpart
+sdotpartpart
+sdotpartpart
=nabla (120)
Rezultă
pzyx
q 2
2
z2
2
y2
2
x =
partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλminus=sdotnabla (121)
Se obţine astfel o ecuaţie tip Poisson pentru medii anizotrope care determină cacircmpul termic icircn mediile cu surse de căldură
0pzyx 2
2
z2
2
y2
2
x =+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (122)
Pentr corpurile izotrope unde λx = λy = λz = λ se obţine a doua formă mai simplă a ecuaţiei lui Poisson
0pzyx 2
2
2
2
2
2
=λ
+partθpart
+partθpart
+partθpart (123)
Menţionăm că pierderile specifice p din ecuaţiile Poisson nu reprezintă neapărat pierderi prin efect electrocaloric (definite de relaţia 113) ci pot reprezenta şi pierderi icircn miezurile feromagnetice (prin histerezis sau curenţi turbionari) sau chiar pierderi de putere activă icircn izolaţii dar exprimate icircn [Wm3] Pentru cazul corpurilor cu secţiune circulară se folosesc coordonatele cilindrice definite astfel x = r middot cos ϕ y = r middot sin ϕ z = z (124) Scriind ecuaţia lui Poisson icircn coordonate cilindrice pentru un mediu izotrop se obţine relaţia
0pzr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=λ
+partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (125)
Icircn cazul corpurilor fără surse interne de căldură pentru care p = 0 Laplace a obţinut ecuaţiile care icirci poartă numele şi care sunt cazuri
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Deoarece temperatura este o mărime care poate fi caracterizată icircntr-un sistem de măsură dat printr-un singur număr nefiind legată de noţiunea de direcţie şi sens cacircmpul de temperaturi este un cacircmp scalar Definim supratemperatura sau icircncălzirea (τ) ca diferenţa dintre temperatura corpului (θ) şi temperatura mediului ambiant (θa) τ = θ ndash θa = T ndash Ta [degC] [K] (13) icircn care temperaturile θ şi θa se măsoară icircn grade Celsius iar temperaturile absolute T şi Ta icircn Kelvin Icircncălzirea fiind o diferenţă de temperaturi se măsoară icircn grade Celsius [degC] sau Kelvin Icircn regim staţionar relaţia (13) devine τs = θsndash θa (14) unde τs şi θs sunt icircncălzirea şi respectiv temperatura icircn regim staţionar Supratemperatura staţionară la care ajung diferitele părţi ale aparatului depinde de regimul de funcţionare a acestuia şi de temperatura mediului ambiant Valorile temperaturii mediului ambiant sunt stabilite prin standarde pentru diferite zone climatice Valorile temperaturilor maxim admisibile pentru diversele subansamble care compun aparatul icircn regimul de funcţio-nare normal sau de avarie depind de materialele folosite la construcţia sa şi sunt date icircn standarde Deoarece puterea aparatului este determinată de supratemperaturile maxim admisibile icircn diferitele lui părţi rezultă că icircncălzirea admisă pentru un anumit element al aparatului trebuie aleasă icircn aşa fel icircncacirct să asigure o putere maximă la o durată de funcţionare prestabilită (prin standarde sau de beneficiari) Verificarea supratemperaturii maxime admise se va face asupra celor mai sensibile părţi ale aparatului căilor de curent izolaţiile electrice elementelor elastice lipituri şi contacte Pentru ca icircncălzirea nici unui punct din aparat să nu depăşească limitele admise de standarde este necesar ca disiparea căldurii către mediul ambiant să fie cacirct mai activă Condiţiile de disipare a căldurii dintr-un aparat electric către mediul ambiant reprezintă unul din criteriile fundamentale de dimensio-nare a aparatelor electrice şi de aceea este necesară cunoaşterea surselor de icircncălzire şi transferul de căldură icircn aparat şi spre mediul ambiant Prin studiul solicitărilor termice ale aparatelor electrice se urmăreşte determinarea prin calcul a icircncălzirii diferitelor părţi ale aparatului la un anumit regim de funcţionare şi icircn icircn comndiţii bine determinate Totalitatea punctelor cu aceiaşi temperatură dintr-un cacircmp termic formează o suprafaţă izotermă sau suprafaţă de nivel Pentru a ajunge de la o izotermă la o altă izotermă pe drumul cel mai scurt se utilizează vectorul gradient (grad θ) definit astfel
kz
jy
ix
grad sdotpartθpart
+sdotpartθpart
+sdotpartθpart
=θ [grdm] (15)
Astfel se asociază fiecarui punct al cacircmpului de temperatură θ(x y z) o valoare determinată pentru vectorul grad θ iar funcţia grad θ = f(x y z) reprezintă un cacircmp vectorial plan al gradienţilor de temperatură Sensul pozitiv al gradientului de temperatură este sensul icircn care temperatura creşte de la o izotermă la alta iar direcţiile grad θ şi a izotermelor icircn fiecare punct sunt perpendiculare Conform legilor calorimetriei icircntre două puncte icircnvecinate cu temperaturi diferite energia calorică se propagă de la punctul cu temperatură mai mare spre punctul cu temperatură mai mică Sensul acestei energii de egalizare (caracterizat de un flux termic P) coincide cu sensul descreşterii temperaturii Definim drept cădere de temperatură (∆θ) valoarea negativă a gradientului de temperatură ∆θ = ndashgrad θ [degC] (16) Dacă raportăm căldura transmisă icircntre două izoterme (dQ) la timpul icircn care are loc acest transfer de căldură obţinem fluxul termic P
dtdQP = [W] (17)
Raportacircnd fluxul termic la unitatea de suprafaţă se obţine densitatea fluxului termic (q )
]mW[dAdPq 2= (18)
Pentru un flux omogen adică un flux care are aceeaşi valoare icircn toate punctele suprafeţei A rezultă
]mW[APq 2= (19)
Icircntre punctele cu temperaturi diferite dintr-un aparat electric are loc o egalizare a energiilor calorice care se poate caracteriza matematic prin densitatea de flux termic ( q ) Aceasta pe lacircngă valoarea numerică are o direcţie şi un sens bine determinat icircn spaţiu adică este o mărime vectorială Rezultă că icircn cazul general funcţia q = f(x y z t) reprezintă un cacircmp vectorial spaţio-temporal care indică sensul de propagare a căldurii Icircn regim staţionar cacircmpul vectorial al dennsităţii de flux termic este doar o funcţie spaţialăq = f(x y z)
Figura 11 Mărimile ce caracterizează transferul de căldură icircntre două
suprafeţe izoterme Icircn figura 11 este reprezentată propagarea prin conducţie a căldurii printr-o suprafaţă elementară de aria dA icircntre două suprafeţe izoterme după direcţia versorului normalei la izotermă n Se observă că vectorul q are sens contrar cu versorul n şi gradθ iar propagarea căldurii avacircnd loc de la suprafaţa cu temperatură mai mare (θ + dθ) la suprafaţa cu temperatura mai mică (θ) Principala sursă de icircncălzire icircn aparatele electrice o constituie dezvoltarea căldurii prin efect electrocaloric (Joule-Lenz) icircn conductoarele parcurse de curent Expresia energiei transformate icircn căldură icircn conductoarele parcurse de curent electric este dată de Legea transformării energiei icircn conductoare sau forma locală a legii lui JoulendashLenz jEp sdot= [Wm3] (110) Adică puterea specifică p dezvoltată icircn unitatea de volum a conductorului icircn procesul de conducţie electrică este dată de produsul scalar dintre intensitatea cacircmpului electric E [Vm] şi densitatea de curent j [Am2] Puterea specifică se poate măsura şi icircn [WKg] Ţinacircnd cont de Legea lui Ohm Ej sdotσ= [Am2] (111) şi de expresia conductivităţii electrice σ = ρndash1 (112) rezultă p = j2 middot ρ (113) Icircn care σ [Sm] este conductivitatea electrică iar ρ [Ω middot m] este rezistivitatea electrică a materialului conductor
Pentru a obţine forma integrală a Legii transformării energiei icircn conductoare filiforme (adică considerăm densitatea de curent constantă icircn secţiunea transversală a conductorului) integrăm relaţia (113) pe volumul V al conductorului obţinacircnd puterea P produsă prin efect electrocaloric (ire-versibil) ]W[iRiudliEdlAjEdVjEP 2
lV V
sdot=sdot=sdotsdot=sdotsdot=sdot= intint int (114)
icircn care A ndash aria secţiunii transversale a conductorului u ndash tensiunea electrică R ndash rezistenţa electrică a conductorului i ndash curentul electric prin conductor Consideracircnd fluxul termic P căldura dezvoltată icircn intervalul de timp dt se scrie int sdot= dtPQ (115) Dacă fluxul termic P este constant icircn timp rezultă Q = P dt ecuaţie echivalentă cu (17)
12 Ecuaţiile cacircmpului termic
Pe baze empirice s-a dedus legătura dintre densitatea de flux termic q şi cacircmpul vectorial grad θ sub forma unei dependenţe liniare q = ndashλ middot grad θ (116) Rezultă că densitatea fluxului termic q este proporţională cu căderea de temperatură ∆θ (conform figurii 11) adică direcţiile celor două mărimi coincid Rezultă că propagarea căldurii se face perpendicular pe izoterme după direcţia gradientului de temperatură Constanta de proporţionalitate λ [Wmmiddotgrd] se numeşte conductivitate termică şi caracterizează materialele din punctul de vedere al conducţiei termice Pentru un mediu izotrop şi omogen λ este constantă icircn orice direcţie şi icircn orice punct al corpului Deşi λ depinde de temperatură icircn majoritatea aplicaţiilor se neglijează această dependenţă şi se consideră λ ca o constantă de material Dacă mediul nu este omogen λ este o funcţie de punct λ = λ(x y z) iar dacă mediul este şi anizotrop λ este un tensor adică λ depinde de direcţie astfel icircntr-un sistem de axe carteziene λx λy şi λz reprezintă conductivităţile termice după direcţia axelor x y şi z Icircn acest caz icircn locul relaţiei (116) se pot scrie relaţiile
z
qy
qx
q zzyyxx partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus= (117)
Rezultacircnd
sdot
partθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλminus=sdot+sdot+sdot= kz
jy
ix
kqjqiqq zyxzyx (118)
Deoarece divergenţa densităţii de flux termic q reprezintă o măsură pentru sursa de căldură din unitatea de volum (adică pentru căldura specifică p) putem scrie div q = nabla middot q = p (119) icircn care s-a notat cu nabla operatorul de derivare
kz
jy
ix
sdotpartpart
+sdotpartpart
+sdotpartpart
=nabla (120)
Rezultă
pzyx
q 2
2
z2
2
y2
2
x =
partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλminus=sdotnabla (121)
Se obţine astfel o ecuaţie tip Poisson pentru medii anizotrope care determină cacircmpul termic icircn mediile cu surse de căldură
0pzyx 2
2
z2
2
y2
2
x =+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (122)
Pentr corpurile izotrope unde λx = λy = λz = λ se obţine a doua formă mai simplă a ecuaţiei lui Poisson
0pzyx 2
2
2
2
2
2
=λ
+partθpart
+partθpart
+partθpart (123)
Menţionăm că pierderile specifice p din ecuaţiile Poisson nu reprezintă neapărat pierderi prin efect electrocaloric (definite de relaţia 113) ci pot reprezenta şi pierderi icircn miezurile feromagnetice (prin histerezis sau curenţi turbionari) sau chiar pierderi de putere activă icircn izolaţii dar exprimate icircn [Wm3] Pentru cazul corpurilor cu secţiune circulară se folosesc coordonatele cilindrice definite astfel x = r middot cos ϕ y = r middot sin ϕ z = z (124) Scriind ecuaţia lui Poisson icircn coordonate cilindrice pentru un mediu izotrop se obţine relaţia
0pzr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=λ
+partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (125)
Icircn cazul corpurilor fără surse interne de căldură pentru care p = 0 Laplace a obţinut ecuaţiile care icirci poartă numele şi care sunt cazuri
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
kz
jy
ix
grad sdotpartθpart
+sdotpartθpart
+sdotpartθpart
=θ [grdm] (15)
Astfel se asociază fiecarui punct al cacircmpului de temperatură θ(x y z) o valoare determinată pentru vectorul grad θ iar funcţia grad θ = f(x y z) reprezintă un cacircmp vectorial plan al gradienţilor de temperatură Sensul pozitiv al gradientului de temperatură este sensul icircn care temperatura creşte de la o izotermă la alta iar direcţiile grad θ şi a izotermelor icircn fiecare punct sunt perpendiculare Conform legilor calorimetriei icircntre două puncte icircnvecinate cu temperaturi diferite energia calorică se propagă de la punctul cu temperatură mai mare spre punctul cu temperatură mai mică Sensul acestei energii de egalizare (caracterizat de un flux termic P) coincide cu sensul descreşterii temperaturii Definim drept cădere de temperatură (∆θ) valoarea negativă a gradientului de temperatură ∆θ = ndashgrad θ [degC] (16) Dacă raportăm căldura transmisă icircntre două izoterme (dQ) la timpul icircn care are loc acest transfer de căldură obţinem fluxul termic P
dtdQP = [W] (17)
Raportacircnd fluxul termic la unitatea de suprafaţă se obţine densitatea fluxului termic (q )
]mW[dAdPq 2= (18)
Pentru un flux omogen adică un flux care are aceeaşi valoare icircn toate punctele suprafeţei A rezultă
]mW[APq 2= (19)
Icircntre punctele cu temperaturi diferite dintr-un aparat electric are loc o egalizare a energiilor calorice care se poate caracteriza matematic prin densitatea de flux termic ( q ) Aceasta pe lacircngă valoarea numerică are o direcţie şi un sens bine determinat icircn spaţiu adică este o mărime vectorială Rezultă că icircn cazul general funcţia q = f(x y z t) reprezintă un cacircmp vectorial spaţio-temporal care indică sensul de propagare a căldurii Icircn regim staţionar cacircmpul vectorial al dennsităţii de flux termic este doar o funcţie spaţialăq = f(x y z)
Figura 11 Mărimile ce caracterizează transferul de căldură icircntre două
suprafeţe izoterme Icircn figura 11 este reprezentată propagarea prin conducţie a căldurii printr-o suprafaţă elementară de aria dA icircntre două suprafeţe izoterme după direcţia versorului normalei la izotermă n Se observă că vectorul q are sens contrar cu versorul n şi gradθ iar propagarea căldurii avacircnd loc de la suprafaţa cu temperatură mai mare (θ + dθ) la suprafaţa cu temperatura mai mică (θ) Principala sursă de icircncălzire icircn aparatele electrice o constituie dezvoltarea căldurii prin efect electrocaloric (Joule-Lenz) icircn conductoarele parcurse de curent Expresia energiei transformate icircn căldură icircn conductoarele parcurse de curent electric este dată de Legea transformării energiei icircn conductoare sau forma locală a legii lui JoulendashLenz jEp sdot= [Wm3] (110) Adică puterea specifică p dezvoltată icircn unitatea de volum a conductorului icircn procesul de conducţie electrică este dată de produsul scalar dintre intensitatea cacircmpului electric E [Vm] şi densitatea de curent j [Am2] Puterea specifică se poate măsura şi icircn [WKg] Ţinacircnd cont de Legea lui Ohm Ej sdotσ= [Am2] (111) şi de expresia conductivităţii electrice σ = ρndash1 (112) rezultă p = j2 middot ρ (113) Icircn care σ [Sm] este conductivitatea electrică iar ρ [Ω middot m] este rezistivitatea electrică a materialului conductor
Pentru a obţine forma integrală a Legii transformării energiei icircn conductoare filiforme (adică considerăm densitatea de curent constantă icircn secţiunea transversală a conductorului) integrăm relaţia (113) pe volumul V al conductorului obţinacircnd puterea P produsă prin efect electrocaloric (ire-versibil) ]W[iRiudliEdlAjEdVjEP 2
lV V
sdot=sdot=sdotsdot=sdotsdot=sdot= intint int (114)
icircn care A ndash aria secţiunii transversale a conductorului u ndash tensiunea electrică R ndash rezistenţa electrică a conductorului i ndash curentul electric prin conductor Consideracircnd fluxul termic P căldura dezvoltată icircn intervalul de timp dt se scrie int sdot= dtPQ (115) Dacă fluxul termic P este constant icircn timp rezultă Q = P dt ecuaţie echivalentă cu (17)
12 Ecuaţiile cacircmpului termic
Pe baze empirice s-a dedus legătura dintre densitatea de flux termic q şi cacircmpul vectorial grad θ sub forma unei dependenţe liniare q = ndashλ middot grad θ (116) Rezultă că densitatea fluxului termic q este proporţională cu căderea de temperatură ∆θ (conform figurii 11) adică direcţiile celor două mărimi coincid Rezultă că propagarea căldurii se face perpendicular pe izoterme după direcţia gradientului de temperatură Constanta de proporţionalitate λ [Wmmiddotgrd] se numeşte conductivitate termică şi caracterizează materialele din punctul de vedere al conducţiei termice Pentru un mediu izotrop şi omogen λ este constantă icircn orice direcţie şi icircn orice punct al corpului Deşi λ depinde de temperatură icircn majoritatea aplicaţiilor se neglijează această dependenţă şi se consideră λ ca o constantă de material Dacă mediul nu este omogen λ este o funcţie de punct λ = λ(x y z) iar dacă mediul este şi anizotrop λ este un tensor adică λ depinde de direcţie astfel icircntr-un sistem de axe carteziene λx λy şi λz reprezintă conductivităţile termice după direcţia axelor x y şi z Icircn acest caz icircn locul relaţiei (116) se pot scrie relaţiile
z
qy
qx
q zzyyxx partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus= (117)
Rezultacircnd
sdot
partθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλminus=sdot+sdot+sdot= kz
jy
ix
kqjqiqq zyxzyx (118)
Deoarece divergenţa densităţii de flux termic q reprezintă o măsură pentru sursa de căldură din unitatea de volum (adică pentru căldura specifică p) putem scrie div q = nabla middot q = p (119) icircn care s-a notat cu nabla operatorul de derivare
kz
jy
ix
sdotpartpart
+sdotpartpart
+sdotpartpart
=nabla (120)
Rezultă
pzyx
q 2
2
z2
2
y2
2
x =
partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλminus=sdotnabla (121)
Se obţine astfel o ecuaţie tip Poisson pentru medii anizotrope care determină cacircmpul termic icircn mediile cu surse de căldură
0pzyx 2
2
z2
2
y2
2
x =+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (122)
Pentr corpurile izotrope unde λx = λy = λz = λ se obţine a doua formă mai simplă a ecuaţiei lui Poisson
0pzyx 2
2
2
2
2
2
=λ
+partθpart
+partθpart
+partθpart (123)
Menţionăm că pierderile specifice p din ecuaţiile Poisson nu reprezintă neapărat pierderi prin efect electrocaloric (definite de relaţia 113) ci pot reprezenta şi pierderi icircn miezurile feromagnetice (prin histerezis sau curenţi turbionari) sau chiar pierderi de putere activă icircn izolaţii dar exprimate icircn [Wm3] Pentru cazul corpurilor cu secţiune circulară se folosesc coordonatele cilindrice definite astfel x = r middot cos ϕ y = r middot sin ϕ z = z (124) Scriind ecuaţia lui Poisson icircn coordonate cilindrice pentru un mediu izotrop se obţine relaţia
0pzr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=λ
+partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (125)
Icircn cazul corpurilor fără surse interne de căldură pentru care p = 0 Laplace a obţinut ecuaţiile care icirci poartă numele şi care sunt cazuri
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Figura 11 Mărimile ce caracterizează transferul de căldură icircntre două
suprafeţe izoterme Icircn figura 11 este reprezentată propagarea prin conducţie a căldurii printr-o suprafaţă elementară de aria dA icircntre două suprafeţe izoterme după direcţia versorului normalei la izotermă n Se observă că vectorul q are sens contrar cu versorul n şi gradθ iar propagarea căldurii avacircnd loc de la suprafaţa cu temperatură mai mare (θ + dθ) la suprafaţa cu temperatura mai mică (θ) Principala sursă de icircncălzire icircn aparatele electrice o constituie dezvoltarea căldurii prin efect electrocaloric (Joule-Lenz) icircn conductoarele parcurse de curent Expresia energiei transformate icircn căldură icircn conductoarele parcurse de curent electric este dată de Legea transformării energiei icircn conductoare sau forma locală a legii lui JoulendashLenz jEp sdot= [Wm3] (110) Adică puterea specifică p dezvoltată icircn unitatea de volum a conductorului icircn procesul de conducţie electrică este dată de produsul scalar dintre intensitatea cacircmpului electric E [Vm] şi densitatea de curent j [Am2] Puterea specifică se poate măsura şi icircn [WKg] Ţinacircnd cont de Legea lui Ohm Ej sdotσ= [Am2] (111) şi de expresia conductivităţii electrice σ = ρndash1 (112) rezultă p = j2 middot ρ (113) Icircn care σ [Sm] este conductivitatea electrică iar ρ [Ω middot m] este rezistivitatea electrică a materialului conductor
Pentru a obţine forma integrală a Legii transformării energiei icircn conductoare filiforme (adică considerăm densitatea de curent constantă icircn secţiunea transversală a conductorului) integrăm relaţia (113) pe volumul V al conductorului obţinacircnd puterea P produsă prin efect electrocaloric (ire-versibil) ]W[iRiudliEdlAjEdVjEP 2
lV V
sdot=sdot=sdotsdot=sdotsdot=sdot= intint int (114)
icircn care A ndash aria secţiunii transversale a conductorului u ndash tensiunea electrică R ndash rezistenţa electrică a conductorului i ndash curentul electric prin conductor Consideracircnd fluxul termic P căldura dezvoltată icircn intervalul de timp dt se scrie int sdot= dtPQ (115) Dacă fluxul termic P este constant icircn timp rezultă Q = P dt ecuaţie echivalentă cu (17)
12 Ecuaţiile cacircmpului termic
Pe baze empirice s-a dedus legătura dintre densitatea de flux termic q şi cacircmpul vectorial grad θ sub forma unei dependenţe liniare q = ndashλ middot grad θ (116) Rezultă că densitatea fluxului termic q este proporţională cu căderea de temperatură ∆θ (conform figurii 11) adică direcţiile celor două mărimi coincid Rezultă că propagarea căldurii se face perpendicular pe izoterme după direcţia gradientului de temperatură Constanta de proporţionalitate λ [Wmmiddotgrd] se numeşte conductivitate termică şi caracterizează materialele din punctul de vedere al conducţiei termice Pentru un mediu izotrop şi omogen λ este constantă icircn orice direcţie şi icircn orice punct al corpului Deşi λ depinde de temperatură icircn majoritatea aplicaţiilor se neglijează această dependenţă şi se consideră λ ca o constantă de material Dacă mediul nu este omogen λ este o funcţie de punct λ = λ(x y z) iar dacă mediul este şi anizotrop λ este un tensor adică λ depinde de direcţie astfel icircntr-un sistem de axe carteziene λx λy şi λz reprezintă conductivităţile termice după direcţia axelor x y şi z Icircn acest caz icircn locul relaţiei (116) se pot scrie relaţiile
z
qy
qx
q zzyyxx partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus= (117)
Rezultacircnd
sdot
partθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλminus=sdot+sdot+sdot= kz
jy
ix
kqjqiqq zyxzyx (118)
Deoarece divergenţa densităţii de flux termic q reprezintă o măsură pentru sursa de căldură din unitatea de volum (adică pentru căldura specifică p) putem scrie div q = nabla middot q = p (119) icircn care s-a notat cu nabla operatorul de derivare
kz
jy
ix
sdotpartpart
+sdotpartpart
+sdotpartpart
=nabla (120)
Rezultă
pzyx
q 2
2
z2
2
y2
2
x =
partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλminus=sdotnabla (121)
Se obţine astfel o ecuaţie tip Poisson pentru medii anizotrope care determină cacircmpul termic icircn mediile cu surse de căldură
0pzyx 2
2
z2
2
y2
2
x =+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (122)
Pentr corpurile izotrope unde λx = λy = λz = λ se obţine a doua formă mai simplă a ecuaţiei lui Poisson
0pzyx 2
2
2
2
2
2
=λ
+partθpart
+partθpart
+partθpart (123)
Menţionăm că pierderile specifice p din ecuaţiile Poisson nu reprezintă neapărat pierderi prin efect electrocaloric (definite de relaţia 113) ci pot reprezenta şi pierderi icircn miezurile feromagnetice (prin histerezis sau curenţi turbionari) sau chiar pierderi de putere activă icircn izolaţii dar exprimate icircn [Wm3] Pentru cazul corpurilor cu secţiune circulară se folosesc coordonatele cilindrice definite astfel x = r middot cos ϕ y = r middot sin ϕ z = z (124) Scriind ecuaţia lui Poisson icircn coordonate cilindrice pentru un mediu izotrop se obţine relaţia
0pzr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=λ
+partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (125)
Icircn cazul corpurilor fără surse interne de căldură pentru care p = 0 Laplace a obţinut ecuaţiile care icirci poartă numele şi care sunt cazuri
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Pentru a obţine forma integrală a Legii transformării energiei icircn conductoare filiforme (adică considerăm densitatea de curent constantă icircn secţiunea transversală a conductorului) integrăm relaţia (113) pe volumul V al conductorului obţinacircnd puterea P produsă prin efect electrocaloric (ire-versibil) ]W[iRiudliEdlAjEdVjEP 2
lV V
sdot=sdot=sdotsdot=sdotsdot=sdot= intint int (114)
icircn care A ndash aria secţiunii transversale a conductorului u ndash tensiunea electrică R ndash rezistenţa electrică a conductorului i ndash curentul electric prin conductor Consideracircnd fluxul termic P căldura dezvoltată icircn intervalul de timp dt se scrie int sdot= dtPQ (115) Dacă fluxul termic P este constant icircn timp rezultă Q = P dt ecuaţie echivalentă cu (17)
12 Ecuaţiile cacircmpului termic
Pe baze empirice s-a dedus legătura dintre densitatea de flux termic q şi cacircmpul vectorial grad θ sub forma unei dependenţe liniare q = ndashλ middot grad θ (116) Rezultă că densitatea fluxului termic q este proporţională cu căderea de temperatură ∆θ (conform figurii 11) adică direcţiile celor două mărimi coincid Rezultă că propagarea căldurii se face perpendicular pe izoterme după direcţia gradientului de temperatură Constanta de proporţionalitate λ [Wmmiddotgrd] se numeşte conductivitate termică şi caracterizează materialele din punctul de vedere al conducţiei termice Pentru un mediu izotrop şi omogen λ este constantă icircn orice direcţie şi icircn orice punct al corpului Deşi λ depinde de temperatură icircn majoritatea aplicaţiilor se neglijează această dependenţă şi se consideră λ ca o constantă de material Dacă mediul nu este omogen λ este o funcţie de punct λ = λ(x y z) iar dacă mediul este şi anizotrop λ este un tensor adică λ depinde de direcţie astfel icircntr-un sistem de axe carteziene λx λy şi λz reprezintă conductivităţile termice după direcţia axelor x y şi z Icircn acest caz icircn locul relaţiei (116) se pot scrie relaţiile
z
qy
qx
q zzyyxx partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus= (117)
Rezultacircnd
sdot
partθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλminus=sdot+sdot+sdot= kz
jy
ix
kqjqiqq zyxzyx (118)
Deoarece divergenţa densităţii de flux termic q reprezintă o măsură pentru sursa de căldură din unitatea de volum (adică pentru căldura specifică p) putem scrie div q = nabla middot q = p (119) icircn care s-a notat cu nabla operatorul de derivare
kz
jy
ix
sdotpartpart
+sdotpartpart
+sdotpartpart
=nabla (120)
Rezultă
pzyx
q 2
2
z2
2
y2
2
x =
partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλminus=sdotnabla (121)
Se obţine astfel o ecuaţie tip Poisson pentru medii anizotrope care determină cacircmpul termic icircn mediile cu surse de căldură
0pzyx 2
2
z2
2
y2
2
x =+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (122)
Pentr corpurile izotrope unde λx = λy = λz = λ se obţine a doua formă mai simplă a ecuaţiei lui Poisson
0pzyx 2
2
2
2
2
2
=λ
+partθpart
+partθpart
+partθpart (123)
Menţionăm că pierderile specifice p din ecuaţiile Poisson nu reprezintă neapărat pierderi prin efect electrocaloric (definite de relaţia 113) ci pot reprezenta şi pierderi icircn miezurile feromagnetice (prin histerezis sau curenţi turbionari) sau chiar pierderi de putere activă icircn izolaţii dar exprimate icircn [Wm3] Pentru cazul corpurilor cu secţiune circulară se folosesc coordonatele cilindrice definite astfel x = r middot cos ϕ y = r middot sin ϕ z = z (124) Scriind ecuaţia lui Poisson icircn coordonate cilindrice pentru un mediu izotrop se obţine relaţia
0pzr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=λ
+partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (125)
Icircn cazul corpurilor fără surse interne de căldură pentru care p = 0 Laplace a obţinut ecuaţiile care icirci poartă numele şi care sunt cazuri
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
z
qy
qx
q zzyyxx partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus=partθpart
sdotλminus= (117)
Rezultacircnd
sdot
partθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλ+sdotpartθpart
sdotλminus=sdot+sdot+sdot= kz
jy
ix
kqjqiqq zyxzyx (118)
Deoarece divergenţa densităţii de flux termic q reprezintă o măsură pentru sursa de căldură din unitatea de volum (adică pentru căldura specifică p) putem scrie div q = nabla middot q = p (119) icircn care s-a notat cu nabla operatorul de derivare
kz
jy
ix
sdotpartpart
+sdotpartpart
+sdotpartpart
=nabla (120)
Rezultă
pzyx
q 2
2
z2
2
y2
2
x =
partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλminus=sdotnabla (121)
Se obţine astfel o ecuaţie tip Poisson pentru medii anizotrope care determină cacircmpul termic icircn mediile cu surse de căldură
0pzyx 2
2
z2
2
y2
2
x =+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (122)
Pentr corpurile izotrope unde λx = λy = λz = λ se obţine a doua formă mai simplă a ecuaţiei lui Poisson
0pzyx 2
2
2
2
2
2
=λ
+partθpart
+partθpart
+partθpart (123)
Menţionăm că pierderile specifice p din ecuaţiile Poisson nu reprezintă neapărat pierderi prin efect electrocaloric (definite de relaţia 113) ci pot reprezenta şi pierderi icircn miezurile feromagnetice (prin histerezis sau curenţi turbionari) sau chiar pierderi de putere activă icircn izolaţii dar exprimate icircn [Wm3] Pentru cazul corpurilor cu secţiune circulară se folosesc coordonatele cilindrice definite astfel x = r middot cos ϕ y = r middot sin ϕ z = z (124) Scriind ecuaţia lui Poisson icircn coordonate cilindrice pentru un mediu izotrop se obţine relaţia
0pzr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=λ
+partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (125)
Icircn cazul corpurilor fără surse interne de căldură pentru care p = 0 Laplace a obţinut ecuaţiile care icirci poartă numele şi care sunt cazuri
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
particulare ale ecuaţiilor lui Poisson Astfel pentru corpuri anizotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia lui Laplace are forma
0zyx 2
2
z2
2
y2
2
x =partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ+partθpart
sdotλ (126)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate carteziene ecuaţia Laplace este
0zyx 2
2
2
2
2
2
=partθpart
+partθpart
+partθpart (127)
Pentru corpuri izotrope icircn coordonate cilindrice ecuaţia lui Laplace este
0zr
1rr
1r 2
2
2
2
22
2
=partθpart
+ϕpartθpart
sdot+partθpart
sdot+partθpart (128)
Ecuaţiile Poisson şi Laplace descriu cacircmpul termic icircn regim staţionar Dacă distribuţia temperaturii icircn corp nu este staţionară cacircmpul termic satisface o ecuaţie de tip Fourier dedusă pe baza Legii conservării energiei şi care este de forma
partθpart
+partθpart
+partθpart
sdot=partθpart
2
2
2
2
2
2
zyxa
t (129)
icircn care s-a notat cu a difuzivitatea termică care are expresia
]sm[c
a 2
dρsdotλ
= (130)
Difuzivitatea termică caracterizează inerţia termică a corpurilor Conductivitatea termică s-a notat cu λ [W m middot grd] c [Wmiddots kgmiddotgrd] este căldura specifică masică iar ρd [kg m3] este densitatea corpului Se observă că icircn regim staţionar ecuaţia lui Fourier (129) se reduce la ecuaţia lui Laplace pentru medii izotrope icircn coordonate carteziene (127) Prin rezolvarea ecuaţiilor Laplace Poisson sau Fourier icircn condiţii de frontieră şi iniţiale cunoscute se poate obţine cacircmpul termic al unui aparat Pentru corpurile cu o structură complexă se fac aproximări ale geometriei acestora sau se folosesc metode numerice de calcul a cacircmpului termic
13 Transmisia termică
Cacircmpul termic icircntr-un aparat electric depinde atacirct de sursele de icircncălzire cacirct şi de disiparea căldurii icircn mediul ambiant prin transmisivitate termică Prin suprafaţa corpului care se află icircn contact cu un gaz sau lichid de o altă temperatură decacirct corpul are loc un schimb de căldură Cu cacirct diferenţa de temperatură este mai mare cu atacirct transmisia termică este mai
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
intensă Din momentul icircn care cantitatea de căldură produsă devine egală cu cantitatea de căldură disipată icircn exterior se stabileşte regimul staţionar Transmisia căldurii se poate face icircn trei moduri prin conducţie prin convec-ţie şi prin radiaţie Icircntr-un aparat electric apar icircn general toate cele trei moduri de transmisie a căldurii dar deoarece predomină unul sau două dintre acestea icircn unele cazuri celelalte feluri de transmisivităţi se pot neglija Transmisia termică prin conducţie este fenomenul propagării căldurii prin masa corpurilor solide lichide sau gazoase sau icircntre aceste corpuri aflate icircn contact intim prin egalizarea energiei cinetice a moleculelor lor Pornind de la relaţia (116) şi conform notaţiilor din figura 11 putem scrie
ndndgradq sdotθ
sdotλminus=θsdotλminus= ndtdA
QdndAdP 2
sdotsdot
minus=sdotminus= (131)
Rezultă pentru căldura transmisă prin conducţie mediului ambiant expresia
dtdAdndQ sdotsdotθ
sdotλ= intint (132)
Căldura cedată mediului ambiant prin conducţie Q depinde de proprietăţile mediului icircn care are loc procesul de transmitere a căldurii şi de valoarea gradientului de temperatură Transmisia termică prin convecţie este fenomenul de transmitere a căldurii la suprafaţa de contact dintre un corp şi mediul fluid cu care se află icircn contact Iniţial are loc un transfer de căldură prin conducţie de la mediul solid la moleculele lichidului sau gazului cu care se află icircn contact Fluidul din zona de contact icircşi micşorează densitatea şi fiind icircmpins de masa de fluid mai rece icircn sus iau naştere curenţi de fluid care extrag căldura din corp prin transfer de masă a fluidului Dacă acest proces nu este influenţat icircn mod voit constituie transmisivitatea termică prin convecţie naturală Icircn cazul unui suflaj forţat din exterior a fluidului de răcire se obţine o intensificare a convecţiei prin aşa numita convecţie artificială Icircn cazul gazelor convecţia artificială se obţine prin ventilare iar pentru lichide prin pompe de circulare a lichidului de răcire Fluxul termic obţinut prin convecţie nu poate fi separat de cel prin conducţie şi deci rezultă qc = αc middot (θc ndash θa) = αc middot (Tc ndash Ta) = αc middot τ [W m2] (133) Am notat cu αc [W m2middotgrd] transmisivitatea termică prin conducţie şi convecţie Această transmisivitate depinde de foarte mulţi factori cum ar fi de temperatura corpului temperatura fluidului de răcire natura fluidului de răcire forma dimensiunea şi orientarea suprafeţei prin care se cedează
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
căldura lichidului de răcire Valorile lui αc se dau icircn literatura de specialitate Pentru a ameliora condiţiile de răcire prin conducţie şi convecţie a aparatelor se recomandă convecţia forţată şi forme adecvate ale suprafeţei de răcire Căldura totală transmisă prin conducţie şi convecţie de la aparat mediu-lui ambiant este dtdS)(Q acC c
sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (134) Am notat cu S este suprafaţa de răcire prin conducţie şi convecţie Transmisia termică prin radiaţie este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp cu temperatura diferită de zero absolut prin radiaţie electromagnetică Energia radiaţiilor electromagnetice captate de un corp cu temperatura mai redusă conduce la icircncălzirea sa Acest proces are loc prin tranziţia electronilor din atomi de pe nivele energetice superioare spre cele inferioare Această tranziţiei duce la emisia de cuante de energie Capacitatea corpului de a emite sau absorbi unde electromagnetice depinde icircn primul racircnd de diferenţa de temperatură de suprafaţa laterală de poziţionarea suprafeţei laterale de culoarea acesteia şide calitatea ei (rugozitatea ei) Densitatea fluxului termic cedat prin radiaţie mediului ambiant (qr) se obţine pe baza Legii lui StefanndashBoltzman qr = αr middot (θc ndash θa) = αr middot (Tc ndash Ta) = αr middot τ [W m2] (135) Am notat cu αr [W m2 middot grd] trasmisivitatea termică prin radiaţie a cărei expresie este
minus
sdotεsdot=
4a
4c
0r 100T
100TCq (136)
Rezultă pentru transmisivitatea termică prin radiaţie expresia
ac
4a
4c
0r TT100T
100T
Cminus
minus
sdotεsdot=α [W m2 middot grd] (137)
S-au făcut următoarele notaţii ndash C0 = 577 [W m2grd2] este coeficientul de radiaţie al corpului absolut negru ε ndash coeficientul de radiaţie sau absorbţie al corpului θc ndash temperatura corpului icircn [degC] respectiv [K] θa ndash temperatura mediului ambiant icircn [degC] respectiv [K] Tc ndash temperatura absolută a corpului icircn [K]
Ta ndash temperatura absolută a mediului icircn [K] Valoarea coeficientul de radiaţie ε al corpului este dată icircn tabele icircn funcţie de aspectul culoarea şi rugozitatea suprafeţei de cedare a căldurii prin radiaţie Trebuie avut icircn vedere că suprafaţa radiantă Sr este numai
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
suprafaţa care radiază icircn spaţiul liber (a cărei normală nu intersectează din nou corpul) şi care este mai mică decacirct suprafaţa laterală icircn cazul carcaselor profilate Este de asemenea avantajos să vopsim suprafeţele exterioare ale corpului icircn culori mate şi icircnchise care favorizează cedarea de căldură prin radiaţie Căldura totală transmisă prin radiaţie de un corp mediului ambiant este dtdS)(Q racrr sdotsdotθminusθsdotα= intint [J] (138) Schimbul real de căldură are loc prin radiaţie convecţie şi conducţie Ponderea celor trei fenomene diferind de la un aparat la altul Luacircnd icircn considerare toate cele trei tipuri de transmisivităţi termice obţinem pentru densitatea fluxului termic global expresia q = qr + qc = αr middot (θc ndash θa) + αc middot (θc ndash θa) = (αr + αc) middot (θc ndash θa) [W m2] (139) Notacircnd cu α [W m2 grad] transmisivitate termică globală rezultantă q = α middot (θc ndash θa) [W m2] (140) Cantitatea totală de căldură disipată prin transmisivitate termică de la aparat spre mediul ambiant este
dtdS)(dtdS)(Q racrSrS
cacc sdotsdotθminusθsdotα+sdotsdotθminusθsdotα= intintintint [J] (141)
14 Cacircmpul de temperatură icircn regim staţionar
Regimul staţionar (permanent) are loc cacircnd icircntreaga cantitate de căldură ce se dezvoltă icircn aparat se cedează mediului ambiant prin transmisivitate termică Icircn acest caz temperatura aparatului rămacircne constantă icircn timp la valoarea staţionară θs Datorită neomogenităţii aparatelor electrice temperaturile diferă de la un punct la altul deşi sunt constante icircn timp Este necesar din punct de vedere tehnic să determinăm repartiţia spaţială a cacircmpului termic icircn cele mai frecvent icircntacirclnite cazuri icircn aparatele electrice Determinarea cacircmpului termic θ = θ(x y z) se face separat pentru medii fără surse interne de căldură şi pentru mediile cu sursă internă de căldură
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
141 Cacircmpul termic al pereţilor plani paraleli fără surse interne de
căldură
Considerăm un perete plan paralel de grosime δ spălat icircn stacircnga de un fluid cu o temperatură θ1 şi icircn dreapta de un fluid cu temperatura mai mică θ2 Icircntre fluide şi perete are loc un schimb de căldură prin transmisie termică α1
şi respectiv α2 astfel icircncacirct temperaturile la extremitatea peretelui sunt θ1 şi θ2
Figura 12 Cacircmpul de temperatură icircntr-un perete plan paralel fără surse
interne de căldură Peretele neavacircnd surse interne de căldură (p = 0) şi fiind omogen rezultă că conductivitatea termică este constantă (λ = ct) Consideracircnd peretele de extensie infinită rezultă că transmiterea căldurii are loc perpendicular pe perete (q=qx) Cazul studiat este o simplificare care modelează cazul carcaselor plane sau al pereţilor plani ai cuptoarelor Dorim să determinăm repartiţia temperaturilor icircn acest perete Pornind de la ecuaţia lui Lapace (127) şi ţinacircnd cont că iqq x sdot= rezultă că ecuaţia ce trebuie integrată este
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
0dxd
2
2
=θ (142)
Prin două integrări succesive se obţine
1Cdxd
=θ (143)
θ = C1 middot x + C2 (144) Se observă că variaţia temperaturii icircn perete este liniară (ca icircn figura 12) Determinarea constantelor de integrare C1 şi C2 se face din condiţiile de limită pentru x=x1 avem θ = θ 1 iar pentru x=x2 avem θ = θ 2 Rezultă pentru constante expresiile
21
211 xx
Cminusθminusθ
= (145)
12
21122 xx
xxCminus
θminusθ= (146)
Scriind relaţia (131) sub forma
dxdq θ
λminus= 12
12
xx minusθminusθ
λminus= (147)
şi făcacircnd notaţiile θ1 ndash θ2 = ∆θ căderea de temperatură x1 ndash x2 = δ grosimea peretelui Rezultă relaţia
qRq t sdot=sdotλδ
=θ∆ (148)
care poate fi interpretată (prin analogie cu circuitele electrice de curent continuu) ca o Lege a lui Ohm pentru transmiterea căldurii S-a făcut notaţia Rt = δ λ (149) Rt poartă denumirea de rezistenţă termică Analogia dintre circulaţia fluxului termic (q) prin pereţi plani paraleli şi circuitele electrice de cc permite calculul rapid al căderilor de temperatură pentru pereţii formaţi din mai multe straturi Pentru aceasta se realizează scheme electrice echivalente ale circuitului termic pe baza echivalenţelor Iq harr Uharrθ∆ RR t harr (150) Dacă peretele este constituit din mai multe straturi plan paralele cu rezistenţele termice Rt1 Rt2 Rtn atunci căderea totală de temperatură este
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
qn
n
2
2
1
1n21 sdot
λδ
++λδ
+λδ
=θ∆++θ∆+θ∆=θ∆ (151)
Pe baza analogiilor (150) se pot calcula relativ uşor căderile de temperatură pe straturi conductivităţile termice echivalente şi rezistenţele termice totale
142 Cacircmpul termic icircn pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd un perete cilindric de lungime mare icircn raport cu diametrul se poate admite că transmisia căldurii prin conducţie are loc numai icircn direcţie radială adică q=qr (se neglijează efectul de capăt) Acest caz este o modelare simplificată a cazului carcaselor cilindrice ale motoarelor şi aparatelor electrice a izolaţiilor cablurilor electrice sau a unor etuve cilindrice
Figura 13 Pereţi cilindrici fără surse interne de căldură Consideracircnd peretele omogen (λ = ct) fără surse interne de căldură şi avacircnd simetrie axială cacircmpul termic va satisface o ecuaţie de tip Laplace icircn coordonate cilindrice
0rr
1r2
2
=partθpart
sdot+partθpart (152)
Integracircnd ecuaţia diferenţială (152) de două ori obţinem succesiv formele
0drd
r1
drd
drd
=θ
sdot+
θ (153)
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
0drd
drd
drdr =
θ+
θ
sdot (154)
0drdr
drd
=
θsdot (155)
1Cdrdr =θ
sdot (156)
r
drCd 1 sdot=θ (157)
θ = C1 middot ln r + C2 (158) Condiţiile de frontieră sunt la r = r1 avem θ = θ1 şi la r = r2 avem θ = θ2 Impunacircnd condiţiile de frontieră ecuaţiei (158) rezultă θ1 = C1 middot ln r1 + C2 (159) θ2 = C1 middot ln r2 + C2 (160) Prin rezolvarea sistemului de mai sus se obţin constantele de integrare
2
1
211
rrC
ln
θminusθ= (161)
2
1
21122
rr
rrCln
lnln θminussdotθ= (162)
care icircnlocuite icircn relaţia (158) conduc la forma finală a variaţiei cacircmpului termic icircn funcţie de raza r
2
1
12
21
rr
rr
rr
ln
lnln sdotθminussdotθ=θ (163)
Rezultă o variaţie logaritmică a temperaturii icircn funcţie de rază
143 Cacircmpul termic icircntr-un conductor lung de secţiune dreptunghiulară cu surse interne de căldură
Acest caz modelează căile de curent sub formă de bare bobinele de formă plată şi plăcile electroizolante icircn care se dezvoltă pierderi dielectrice Considerăm că sursele de căldură sunt uniform repartizate icircn masa conductorului iar cantitatea de căldură dezvoltată icircn unitatea de volum şi uni-tatea de timp este egală cu pierderile specifice volumice p [W m3]
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Icircncălzirea fiind icircn regim staţionar cacircmpul termic este un cacircmp spaţial invariabil icircn timp Conductorul avacircnd dimensiunile transversale mult mai mari ca grosimea luăm icircn considerare doar componenta transversală a densităţii de flux termic q = q(x) Cacircmpul de temperatură se obţine prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate carteziene (122) care pentru λ=ct obţine forma
0pdxd
2
2
=λ
+θ (164)
Figura 14 Pereţi plani cu surse interne de căldură Prin integrări succesive se obţine
1Cxpdxd
+sdotλ
minus=θ (165)
21
2
CxC2
xp+sdot+
λsdotsdot
minus=θ (166)
Condiţiile de frontieră sunt la x = 0 avem θ = θ1 la x = δ avem θ = θ2 Icircnlocuind aceste condiţii icircn relaţia (166) rezultă constantele de integrare
C2 = θ1 iar δθminusθ
minusδsdotλsdot
= 211 2
pC (167)
Iar ecuaţia finală a cacircmpului termic este
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
1212 x
2px
2p
θ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (168)
Solicitarea maximă va avea loc la x = xm iar maximă a temperaturii va fi θ = θm Pentru a afla temperatura maximă ţinem cont că la
x = xm avem 0dxd
mxx
=
θ
=
(169) Icircnlocuind icircn relaţia (165) rezultă
1m Cxp=sdot
λ (170)
Adică ( )21m p2x θminusθsdot
δsdotλ
minusδ
= (171)
Icircnlocuind icircn (168) rezultă valoarea maximă a temperaturii
1m21
2m
m x2
p2
xpθ+sdot
δθminusθ
minusδsdotλsdot
+λsdot
sdotminus=θ (172)
Aceasta este valoarea la care trebuie verificat materialul conductorului Variaţia parabolică a temperaturii este reprezentată icircn figura 14 Un caz frecvent icircntacirclnit este acela cacircnd temperaturile celor două suprafeţe laterale sunt egale Icircn acest caz θ1 = θ2 = θa adică
2
xmδ
= (173)
2
1m 22p
δsdot
λsdot+θ=θ (174)
Icircn acest caz variaţia temperaturii este
12 x
2px
2p
θ+sdotδsdotλsdot
+sdotλsdot
minus=θ (175)
144 Cacircmpul termic icircntr-un conductor circular cu sursă internă de
căldură Considerăm un conductor de rază mică icircn raport cu lungimea sa (adică putem aproxima temperatura ca fiind constantă icircntr-o secţiune transversală) şi făcacircnd abstracţie de efectul de capăt cacircmpul termic icircn conductor satisface o ecuaţie Poisson icircn coordonate cilindrice (relaţia 125) Icircn ipotezele menţionate cacircmpul termic va depinde doar de rază
0prr
1r2
2
=λ
+partθpart
sdot+partθpart (176)
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Neglijacircnd variaţia cu temperatura a rezistivităţii electrice adică consideracircnd p = j2 middot ρ = ct rezultă prin integrare
2rp
rC
2rpC
r1
drd 1
2
1 sdotλ
minus=
sdot
λminussdot=
θ (177)
2
2
1 C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (178)
Pentru determinarea constantelor de integrare se folosesc condiţiile la
limită şi anume la r = 0 avem θ = θmax şi deci 0drd
0r
=
θ
=
iar la r = r1 θ = θ1
Din relaţia (177) rezultă C1 = 0 (179) iar din relaţia (178) rezultă
λsdotsdot
+θ=4
rpC2
112 (180)
Rezultă că ecuaţia cacircmpului termic este
( ) 122
1 rr4
pθ+minussdot
λsdot=θ (181)
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Figura 15 Cacircmpul termic icircntr-un conductor cilindric cu surse interne de căldură
Variaţia parabolică a temperaturii cu raza conductorului este reprezentată icircn figura 15 Temperatura maximă ce apare icircn conductor va apare icircn axa conductorului (la r = 0) şi va avea valoarea
211 r
4p
sdotλsdot
+θ=θmax (182)
Supratemperatura maximă ce apare icircn conductor va fi
21r4
psdot
λsdot=τ=θ∆ max (183)
145 Cacircmpul termic icircn conductoarele cu izolaţie
Consideracircnd un conductor izolat parcurs de curent acesta se icircncălzeşte avacircnd temperatura maximă icircn axa conductorului (θmax) Cum căderea de tem-
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
peratură icircn secţiunea transversală a conductorului este neglijabilă datorită conductivităţii termice foarte mari ne propunem să determinăm temperatura de la suprafaţa de separaţie dintre conductor şi izolaţie (θ1) care este cea mai mare temperatură care solicită izolaţia Căderea de temperatură icircn stratul de izolaţie (θ1 ndash θ2) variază după o funcţie logaritmică aşa cum s-a determinat icircn cazul transmisiei căldurii printr-un perete cilindric conform relaţiei (163)
Figura 16 Conductor izolat de secţiune circulară
Considerăm un conductor cilindric de diametru d acoperit cu un strat de izolaţie de grosime (D ndash d) 2 şi a cărui lungime este l Neglijacircnd efectul de capăt densitatea de flux termic q este orientată radial
drdQ)r(qq sdotλminus== (184)
Rezultă că fluxul termic P ce străbate conductorul este P = q middot S (184) S-a notat cu S suprafaţa laterală curentă (situată la distanţa r de axă) prin care căldura trece de la conductor la izolaţie Rezultă
drdlr2P θsdotsdotsdotπsdotsdotλminus= (185)
r
drl2
Pd sdotλsdotsdotπsdot
minus=θ (186)
Integracircnd relaţia (186) rezultă
intint sdotλsdotπsdotminus=θ
θ
θ
2d
2D rdr
l2Pd
2
1
(187)
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Rezultă
dD
l2P
21 lnsdotsdotλsdotπsdot
+θ=θ (188)
Cedarea căldurii de la suprafaţa exterioară a conductorului spre mediul ambiant (de temperatură θa) se face conform ecuaţiei transmisiei căldurii (140) q = α middot (θ2 ndash θa) (189) S-a notat cu α transmisivitatea termică globală Rezultă
1
aa2 SPqsdotα
+θ=α
+θ=θ (190)
Suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S1 = π middot D middot 1 (191) Icircnlocuind icircn relaţia (190)
lD
Pa2 sdotsdotπsdotα+θ=θ (192)
Icircnlocuind (188) rezultă
dD
l2P
lDP
a1 lnsdotsdotλsdotπsdot
+sdotsdotπsdotα
+θ=θ (193)
Folosind relaţia (182) rezultă că temperatura maximă din conductor (care este icircn axa conductorului circular) este
l4
pdD
l2P
lDP
a sdotλsdotπsdot+sdot
sdotλsdotπsdot+
sdotsdotπsdotα+θ=θ lnmax (194)
Izolaţia va fi verificată la temperatura θ1 calculată cu relaţia (193) Consideracircnd cazul unui conductor dreptunghiular de secţiune A times B cu grosimea izolaţiei δ şi de lungime 1 ca cel din figura 17 ne propunem să calculăm solicitarea termică maximă a izolaţiei şi temperatura maximă din conductor Dacă temperaturile celor două suprafeţe limită ale izolaţiei sunt θ1 şi θ2 fluxul termic va fi
( ) ( )[ ]x2B2x2A2ldxdP sdot+sdot+sdot+sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (195)
( )[ ]x8BA2ldxdP sdot++sdotsdotsdotθ
sdotλminus= (196)
( )[ ] dxx8BA2l
Pd sdotsdot++sdotsdotsdotλ
minus=θ (197)
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Figura 17 Conductor izolat de secţiune dreptunghiulară
Integracircnd relaţia (197) de la θ2 la θ1 şi de la x = 0 la x = δ rezultă
( )
( )intint
+sdot
δsdot++sdot
θ
θ sdotλsdotminus=θ
BA2
8BA2 udu
l8Pd1
2 (198)
Făcacircnd notaţiile 2 middot (A + B) + 8 middot x = u şi 8 middot dx = du (199) Rezultă
( )( )BA2
8BA2l8
P21 +sdot
δsdot++sdotsdot
sdotλsdot=θminusθ ln (1100)
+δsdot
+sdotsdotλsdot
+θ=θBA
41l8
P21 ln (1101)
Făcacircnd aproximaţia
BA
4BA
41+δsdot
cong
+δsdot
+ln (1102)
Rezultă
( )BAl2P
21 +sdotsdotλsdotδsdot
+θ=θ (1103)
Ceea ce reprezintă solicitarea termică maximă la care este solicitată izolaţia Dacă căldura este cedată mediului ambiant (θ2= θa) rezultă că această solicitare maximă va fi
( )[ ] ( )BAl2P
l8BA2P
a1 +sdotsdotλsdotδsdot
+sdotδsdot++sdotsdotα
+θ=θ (1104)
Calculul prezentat este acoperitor deoarece se disipează căldură şi prin capetele conductorului
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
146 Cacircmpul termic icircn bobine
Calculul cacircmpului termic icircn bobine reprezintă o importanţă tehnică deosebită deoarece este des icircntacirclnit şi este relativ complex Caracteristic unei bobine este faptul că structura ei este neomogenă Aşa cum rezultă din secţiunea longitudinală din figura 18 o bobină este formată din conductoare active izolaţia conductoarelor izolaţia dintre straturi lacul de impregnare şi carcasa bobinei Fiecare din aceste elemente este caracterizat prin conductivitatea termică şi căldura specifică proprie Această neomogenitate nu permite un calcul analitic exacz a cacircmpukui termic ci este necesară omogenizarea aproximativă prin medierea constantelor de material
Figura 18 Secţiune longitudinală printr-o bobină
Icircn conductorul de bobinaj se dezvoltă căldură prin efect JoulendashLenz iar icircn izolaţii dacă se neglijează pierderile de putere activă prin polarizare nu se dezvoltă căldură (adică sunt medii fără surse interne de căldură) Icircn cazul icircn care bobina are miez de fieromagnetic icircn curent alternativ se produce căldură
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
prin curenţi turbionari şi histerezis Din aceste motive calculul analitic al cacircmpului termic al bobinelor icircn regim staţionar se poate face doar prin acceptarea unor ipoteze simplificatoare cum ar fi ndash bobina se consideră omogenă adică p = ct ndash se consideră o conductivitate termică medie λm pentru materialul bobinei format din conductoare şi izolaţie ndash căldura se evacuează din bobină numai prin suprafeţele cilindrice laterale şi nu prin suprafeţele frontale (se neglijează efectele de capăt) ndash pe suprafeţele laterale admitem transmisivitate termică medie λm Icircn aceste ipoteze rezultă că densitatea fluxului termic q este orientată icircn direcţie radială q = q(r) Icircn acest fel problema este analoagă matematic cu icircncălzirea unui conductor cilindric schimbacircndu-se numai condiţiile de frontieră Se icircntacirclnesc două situaţii distincte ndash cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau al bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent continuu cacircnd deoarece miezul nu are surse interne de căldură cedarea căldurii se face atacirct prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) cacirct şi prin suprafaţa interioară (2 middot π middot r1 middot 1) ndash cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ cacircnd cedarea căldurii se face numai prin suprafaţa cilindrică exterioară (2 middot π middot r2 middot 1) deoarece din cauza curenţilor turbionari şi a pierderilor prin histerezis miezul magnetic se icircncălzeşte şi apare un flux termic suplimentar dirijat de la miez spre icircnfăşurarea de curent alternativ Condiţiile de frontieră pentru cele două cazuri fiind diferite şi conduc la cacircmpuri termice diferite Icircn cazul bobinelor fără miez de feromagnetic sau alimentate icircn cc densitatea de flux termic este orientată radial spre exteriorul şi interiorul bo-binei Rezultă că temperatura maximă se obţine undeva icircn interiorul bobinei (icircn dreptul razei rm) Cunoscacircnd temperaturile suprafeţelor interioare şi exterioare (θ1 respectiv θ2) ne propunem să determinăm legea de variaţie θ =θ (r) precum şi valoarea temperaturii maxime θm la raza rm Ca o concluzie practică se recomandă ca icircn cazul bobinelor de curent continuu cu miez feromagnetic să se realizeze un contact termic bun icircntre miez şi bobinaj pentru o mai bună cedare a căldurii Pornind de la relaţia (178) vom determina constantele de integrare pe baza condiţiile de frontieră la r = r1 θ = θ1 iar la r = r2 θ = θ2
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
care introduse icircn relaţia (178) permit determinarea celor două constante sub forma
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdot= 21
21
22
m
1
21 rr
4p
rr
1Cln
(1105)
( ) ( )
θminusθminusminussdot
λsdotsdotminus
λsdotsdot
+θ= 212
122
m
1
2
2
m
22
22 rr4
p
rrr
4rpC
ln
ln (1106)
Figura 18 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină fără miez de feromagnetic
sau alimentată icircn cc
Pentru a determina raza rm la care se obţine temperatura maximă şi temperatura maximă θm folosind relaţia (177) şi punacircnd condiţia (dθ dr)r =r m = 0 rezultă
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
02
rprC
m
m
m
1 =λsdotsdot
minus p
C2r m1m
λsdotsdot= (1107)
Temperatura maximă va avea valoarea
2m
2m
m1m C4
rprC +λsdotsdot
minussdot=θ ln (1108)
Ţinacircnd seama de (1107) obţinem expresia θm = C1 middot (ln rm ndash 05) + C2 (1109) Icircnlocuind constantele C1 şi C2 icircn relaţia (178) se poate determina distribuţia radială a temperaturii (reprezentată icircn figura 19) şi prin icircnlocuirea icircn relaţia (1108) se determină temperatura maximă Icircn cazul bobinelor cu miez de feromagnetic alimentate icircn curent alternativ miezul feromagnetic constituie o sursă suplimentară de căldură foarte importantă datorită curenţilor turbionari care circulă icircn materialul miezului şi a pierderilor prin histerezis Din cauza căldurii dezvoltate icircn miez se consideră că bobina poate ceda căldură numai prin suprafaţa ei exterioară iar la limita dintre miez şi bobină temperatura θ1 este temperatura maximă pentru bobină adică temperatura la care trebuie să reziste izolaţiile Ca o concluzie practică rezultă că icircn cazul bobinelor de curent alternativ cu miez feromagnetic se recomandă izolarea termică cu materiale electroizolante a bobinajului faţă de miez
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Figura 110 Cacircmpul de temperatură icircntr-o bobină de ca cu miez de feromagnetic Pentru bobina din figura 110 vom determina legea de variaţie a temperaturii funcţie de rază pornind de la relaţia (178) obţinută prin integrarea ecuaţiei Poisson icircn coordonate cilindrice (125) Determinarea constantelor de integrare din relaţia (178) se va face icircn următoarele condiţii de frontieră la r = r1 θ = θ1 = θmax (dθ dr)r = r1 = 0 iar la r = r2 θ = θ2 Din relaţia (177) rezultă
m
1
1
1
2rp
rC
λsdotsdot
minus (1110)
m
21
1 2rpCλsdotsdot
= (1111)
care icircnlocuită icircn relaţia (178) rezultă
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
m
22
2m
21
22 4rpr
2rpC
λsdotsdot
+sdotλsdotsdot
minusθ= ln (1112)
Ecuaţia cacircmpului termic al bobinei este dată de relaţia
( )222
m2m
21
2 rr4
prr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
+θ=θ ln (1113)
Reprezentarea grafică a variaţiei temperaturii ca raza este dată icircn figura 110 Notacircnd cu ∆θ = θ1 ndash θ2 căderea de temperatură icircn direcţia radială se obţine prin icircnlocuirea icircn relaţia (1113) a lui r cu r1 şi θ cu θ1
( )21
22
m2
1
m
21 rr
4p
rr
2rp
minussdotλsdot
+sdotλsdotsdot
=θ∆ ln (1114)
Pentru utilizarea practică a relaţiilor deduse anterior este necesară aproximarea conductivităţii termice medii λm ce apare icircn expresia cacircmpului termic Icircn practică se utilizează mai multe aproximări deduse empiric dintre care cele mai des utilizate sunt pentru conductoare rotunde
δsdot
sdotλsdot=λ2d60 im (1115)
pentru conductoare dreptunghiulare
∆λ∆
+λsdot
+λδsdot
∆+sdot+δsdot=λ
bi
m b22b22481 (1116)
sau
δsdotδsdot+
sdotδsdot+
sdotλ=λ2
2B2A
Aim (1117)
S-au făcut notaţiile δ ndash grosimea stratului de izolaţie b ndash grosimea echivalentă a stratului dintre conductoare umplut cu aer sau masă de impregnare ∆ ndash grosimea izolaţiei dintre straturi d ndash diametrul conductorului neizolat A B ndash dimensiunile conductorului dreptunghiular după direcţia axială respectiv radială λi ndash conductivitatea termică a materialului izolaţiei λb
ndash conductivitatea termică a masei de impregnare λ∆ ndash conductivitatea termică a izolaţiei dintre straturi Calcularea cacircmpului termic din bobine făcută anterior este acoperitoare deoarece icircn cazurile reale cedarea căldurii se produce şi prin suprafeţele
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
frontale ale bobinei şi deci distribuţia temperaturii pe icircnălţimea bobinei va fi neuniformă şi inferioară celei calculate Acest lucru se poate evidenţia experimental
15 Cacircmpul termic icircn regim tranzitoriu
Definim regimul tranzitoriu ca acel regim icircn care cacircmpul de temperatură este funcţie atacirct de coordonatele spaţiale cacirct şi de timp θ = f(x y z t) Căldura care se dezvoltă icircn aparate contribuie la creşterea temperaturii corpului icircn timp iar transmisia căldurii către mediul ambiant se face combinat prin conducţie convecţie şi radiaţie Determinarea repartiţiei spaţio-temporale a temperaturilor se poate face ţinacircnd cont de dependenţa de temperatură a bdquoconstantelorldquo de material (conductivitatea termică transmisivitatea termică rezistivitatea electrică etc) conform teoriei moderne a icircncălzirii Conform acestei teorii dependenţa de temperatură se face polinomial (empiric) sau exponenţial Astfel dacă considerăm o variaţie liniară cu temperatura a rezistivităţii Rezultă ρ = ρ0 middot (1 + α ρ τ) (1118) Teoria modernă a icircncălzirii este mai precisă dar necesită un volum mai mare de calcule şi este folosită mai ales icircn proiectarea asistată pe baza metodelor numerice O metodă mai simplă de calcul a cacircmpului termic icircn regim tranzitoriu este teoria clasică a icircncălzirii icircn care se neglijează dependenţa de temperatură a constantelor de material Tot pentru simplificarea calculelor se fac şi următoarele ipoteze simplificatoare ndash corpul este omogen ndash pierderile icircn unitatea de volum sunt constante (p = ct) ndash temperatura mediului ambiant este constantă (θa = ct) Icircn regim nestaţionar cacircmpul termic este descris de ecuaţii diferenţiale deduse pe baza bilanţului termic adică forme particulare ale Legii conservării energiei
151 Ecuaţia generală a bilanţului termic
Pornind de la Legea conservării energiei şi folosind ipotezele teoriei clasice a icircncălzirii putem găsi o ecuaţie generală de bilanţ termic (ecuaţii tip
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Fourier) prin integrarea căreia să obţinem o soluţie analitică a fenomenului de difuzivitate termică Majoritatea cazurilor practice de regimuri tranzitorii pot fi reduse la cazul conductorului drept de secţiune constantă cu răcire naturală sau forţată Conform teoriei clasice a icircncălzirii (şi acceptacircnd ipotezele ei simplifica-toare) se consideră un conductor cilindric (ca icircn figura 111) rectiliniu şi omogen de lungime infinită şi cu diametru suficient de mic pentru a putea aproxima aceeaşi temperatură icircntr-o secţiune oarecare Conductorul este parcurs de un curent electric ce dezvoltă o putere p icircn unitatea de volum Se ţine cont de efectul de capăt consideracircnd că la origine existacirc o sursă suplimentară de căldură care dă naştere la un flux termic longitudinal Temperatura corpului nefiind constantă de-a lungul conductorului există tendinţa de uniformizare a temperaturilor prin conductivitate termică Datorită ariei transversale mici considerăm că fluxul termic este axial icircn direcţia x iar conductorul cedează căldură mediului ambiant doar prin suprafaţa laterală care are o temperatură constantă Icircn aceste condiţii tem-peratura conductorului va fi o funcţie de lungimea axială x şi de timp θ = f(x t)
Figura 111 Bilanţul termic a unui conductor drept de secţiune constantă
Legea conservării energiei icircn elementul infinitezimal dx din conductorul drept de secţiune constantă şi mică A reprezentat icircn figura 111 are expresia dQ1 + dQ2 = dQ3 + dQ4 + dQ5 (1119) S-au făcut notaţiile ndash dQ1 este cantitatea de căldură dezvoltată icircn elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt dQ1 = p middot A middot dx middot dt = j2 middot ρ middot A middot dx middot dt (1120)
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
ndash dQ2 este cantitatea de căldură datorată fluxului termic longitudinal ce intră pe calea conducţiei prin secţiunea transversală A icircn timpul dt şi care conform (132) este
dtx
AdQ2 sdotpartθpart
sdotsdotλminus= (1121)
ndash dQ3 este cantitatea de căldură ce iese prin conducţiei din elementul de volum (A middot dx) icircn timpul dt care conform (132) este
dtdxxx
AdQ3 sdot
sdot
partθpart
+θsdotpartpart
sdotsdotλminus= (1122)
ndash dQ4 este cantitatea de căldură cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică combinată prin suprafaţa laterală S icircn timpul dt care conform (141) este dQ4 = α middot S middot (θ ndash θa) middot dt = α middot lp middot (θ ndash θa) middot dx middot dt (1123) unde s-a notat cu lp perimetrul secţiunii transversale ndash dQ5 este cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn elementul infinitezimal de volum (A middot dx) icircn timpul dt şi care are expresia
dtdxt
AcddMcdQ d5 sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot=θsdotsdot= (1124)
unde c este căldura specifică iar dM = ρd middot A middot dx este masa elementului infinitezimal şi ρd densitatea materialului conductorului Icircnlocuind icircn relaţia (1119) vom obţine
( ) dtdxt
Acdtdxl
dtdxx
Ax
A
dtdx
AdtdxAj
dap
2
2
2
sdotsdotpartθpart
sdotsdotρsdot+sdotsdotθminusθsdotsdotα+
+sdotsdotpartθpart
sdotsdotλminuspartθpart
sdotsdotλminus=
=sdotθpart
sdotsdotλminussdotsdotsdotρsdot
(1125)
Simplificacircnd cu Amiddotdxmiddotdt rezultă
( )ap2
2
2
d Al
jxt
c θminusθsdotαminusρsdot+partθpart
sdotλ=partθpart
sdotρsdot (1126)
Icircmpărţind cu cmiddotρd şi ţinacircnd cont că difuzitivitatea termică are conform (130) expresia a = λ c middot ρd se obţine ecuaţia diferenţială cu derivate parţiale a transmisiei căldurii sub forma
( )ad
p
d
2
2
2
Acl
cj
xa
tθminusθsdot
sdotρsdotsdotα
minusρsdotρsdot
+partθpart
sdot=partθpart (1127)
Pornind de la această ecuaţie se pot deduce alte ecuaţii particulare ce se folosesc icircn practică la determinarea cacircmpurilor termice icircn regim nestaţionar Icircn practică de cele mai multe ori se studiază separat procesele de
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
icircncălzire faţă de cele de distribuţie spaţială a cacircmpului termic De exemplu icircn procesul de icircncălzire icircn regim staţionar (θ = θs) temperatura conductorului
are o valoare bine determinată independentă de x şi t
=
partθpart
=partθpart 0
x0
t 2
2
şi
deci relaţia (1127) va deveni sd
p
d
2
Acl
cj
τsdotsdotρsdot
α=
ρsdotρsdot
(1128) Supratemperatura staţionară va fi τs = θs ndash θa (1129)
llA
lAIl
Aj
p2
2
p
2
s sdotsdotαsdotsdotsdotρsdot
=sdotαsdotρsdot
=τ (1130)
Deoarece rezistenţa electrică are expresia R = ρ middot 1 A suprafaţa laterală de cedare a căldurii către mediul ambiant este S= lpmiddot l iar fluxul termic este P = I2 middot R rezultă că supratemperatura staţionară are expresia
S
Ps sdotα=τ (1131)
152 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de durată
Pentru determinarea ecuaţiei icircncălzirii unui corp icircn regim de durată vom porni de la relaţia (1127) şi vom neglija căderea de temperatură icircn conductor obţinacircnd relaţia
τsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=θ
Acl
cj
dtd
d
p
d
2
(1132)
Deoarece dθ = dτ (1133) Rezultă
dtAc
ldt
cjd
d
p
d
2
sdotτsdotsdotρsdot
sdotαminus
ρsdotρsdot
=τ (1134)
dtMcSdt
McPd sdotτsdot
sdotsdotα
minussdotsdot
=τ (1135)
P middot dt ndash α middot S middot τ middot dt = c middot M middot dτ (1136) Relaţia (1136) nu este alceva decacirct Legea conservării energiei care se poate enunţa astfel cantitatea de căldură icircnmagazinată icircn corp este diferenţa dintre căldura dezvoltată prin efect electrocaloric icircn corp şi căldura cedată mediului ambiant prin transmisivitate termică Am dovedit astfel că ecuaţiile
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
de bilanţ termic sunt forme particulare ale Legii conservării energiei icircn ipoteze simplificatoare Deoarece P = α middot S middot τs relaţia (1136) se mai poate scrie α middot S middot (τs ndash τ) middot dt = c middot M middot dτ (1137) Definim constanta termică de timp prin expresia
S
McTsdotαsdot
= [s] (1138)
Folosind expresia constantei termice de timp ecuaţia (1137) se poate scrie succesiv
τminusτ
τ=
s
dTdt (1139)
Tdtd
s
minus=τminusττ (1140)
Integracircnd relaţia (1140) rezultă
( ) CTt
s +τminusτ=minus ln (1141)
Constanta de integrare se deduce din condiţiile de limită la t = o r = r0 Rezultă C = ndashln(τ ndash τs) (1142) Adică relaţia (1141) prin icircnlocuire devine
s0
s
Tt
τminusττminusτ
=minus ln (1143)
s0
sTt
eτminusττminusτ
=minus
(1144)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
0 e1e (1145)
Relaţia (1145) reprezintă ecuaţia de icircncălzire icircn timp a corpului icircn cazul cel mai general Dacă icircn momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului este egală cu temperatura mediului ambiant θ(0) = θa şi deci supratemperatura iniţială este nulă (τ0 = 0) se obţine o lege de variaţie de forma
minussdotτ=τ
minusTt
s e1 (1146)
Reprezentacircnd grafic curbele de icircncălzire date de relaţiile (1145) şi (1146) sunt reprezentate icircn figura 112 prin curbele 1 şi respectiv 2 constatacircndu-se că ambele curbe au aceeaşi supratemepratură staţionară τs
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Pentru a evidenţia o propietate importantă a curbelor de icircncălzire se ia un punct arbitrar M pe curba de icircncălzire din figura 112 Conform relaţiei (1140) se poate scrie
Tdt
d s τminusτ=
τ (1147)
Din reprezentarea grafică a curbei de icircncălzire din figura 112 rezultă
ABAM
dtd
=τ (1148)
deoarece AM = τs ndash τ rezultă că AB = T Segmentul T ca subtangentă la curba de icircncălzire corespunzătoare punctului M rămacircne mereu constantă pentru orice poziţie a punctului M pe curbă Constanta termică de timp T = c middot M α middot S poate fi luată constantă numai dacă α şi c nu depind de tem-peratură şi are dimensiunea unui timp Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de icircncălzire aşa cum rezultă icircn figura 113
Figura 112 Curbele de icircncălzire a unui corp
Din relaţia (1146) scrisă sub forma
Tt
s
e1minus
minus=ττ (1149)
Se poate calcula τ τs pentru t T =0 1 2 3 4 şamd Se reprezintă punctele corespunzătoare (064 086 095 098 etc) şi avacircnd icircn vedere că subtangenta la curbă T = const se trasează curba universală a icircncălzirii (adimensională)
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Deşi teoretic icircncălzirea staţionară se atinge după un timp infinit practic se constată că regimul staţionar se icircncheie după aproximativ 4 constante termice de timp Icircn cazul corpurilor cu masă mare icircncălzirea icircn regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 ndash 20) datorită inerţiei termice mari De aceea pentru a reduce timpul necesar determinării experimentale a curbei de icircncălzire se foloseşte construcţia grafică prezentată icircn figura 114 care are la bază următoarele considerente
Figura 113 Curba universală de icircncălzire a corpurilor
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Figura 114 Deteminarea grafondashanalitică a supratemperaturii staţionare a
corpurilor cu inerţie termică mare Derivacircnd relaţia (1146) se obţine
Tt
s eT1
dtd minus
sdotτsdot=τ (1150)
Rezultă succesiv
s
sTt
eττminusτ
=minus
(1151)
( )τminusτsdot=τ
sT1
dtd sau (1152)
dtdTsτ
sdotminusτ=τ (1153)
Scriind relaţia (1153) sub forma
t
Ts ∆τ∆
sdotminusτ=τ (1154)
rezultă că la ∆t =constant τ = f(∆τ) este ecuaţia unei drepte care taie axa ordonatelor la ∆τ = 0 adică τ = τs Astfel prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de icircncălzire la intervale de timp egale ∆t se determină creşterile de supratemperatură ∆τ1 ∆τ2 ∆τ3 corespunzător punctelor A B C se determină icircn sistemul de axe τ = f(∆τ) punctele A B şi
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
C şi ducacircnd dreapta ce uneşte aceste puncte acolo unde intersectează axa ordonatelor se obţine icircncălzirea staţionară τs
153 Răcirea corpurilor Dacă icircntr-un conductor s-a atins temperatura staţionară atunci icircntreaga căldură dezvoltată ]n conductor este cedată mediului ambiant Dacă icircncetează dezvoltarea de căldură icircn conductor (p = 0) din acel moment icircncepe procesul de răcire care constă icircn cedarea căldurii acumulate icircn conductor mediului ambiant Cacircnd temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant icircntreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată şi procesul de răcire icircncheiat Pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1136) icircn ipoteza p = 0 se obţine ndashc middot M middot dτ = α middot S middot τ middot dt (1155) Adică
Tdtd
minus=ττ (1156)
Integracircnd relaţia (1156) rezultă
ClnTtC
Ttln +minus=+minus=τ (1157)
Adică TtCln
Tdt
eCeminus+minus
sdot==τ (1158) Consideracircnd că la t = 0 τ = τs rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma
Tt
s eminus
sdotτ=τ (1159) Dacă la t = 0 supratemperatura τ are o valoare oarecare τi atunci răcire va avea expresia
Tt
i eminus
sdotτ=τ (1160) Reprezentarea grafică a relaţiilor (1159) şi (1160) este dată icircn figura 115 Proprietăţile curbei de icircncălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de răcire adică subtangenta la curba de răcire icircn orice punct M al curbei este o constantă egală cu constanta termică de timp T Deşi matematic procesul de răcire se icircncheie icircntr-un timp infinit de lung practic după 4 constante termice de timp el poate fi considerat icircncheiat Constanta termică de timp a unui corp este aceeaşi la icircncălzirea şi răcirea corpului cu condiţia ca atacirct icircncălzirea cacirct şi răcirea să aibă loc icircn aceleaşi condiţii
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Astfel dacă răcirea este forţată prin ventilare sau prin circularea artificială a fluidului de răcire constanta termică de timp T se modifică
Figura 115 Curbe de răcire a unui corp
154 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Icircntr-un regim de scurtă durată procesul de icircncălzire durează mult mai puţin decacirct constanta de timp termică T După o scurtă perioadă de icircncălzire alimentarea aparatului se icircntrerupe pentru o durată suficient de mare ca el să se răcească pacircnă la temperatura mediului ambiant (τ = 0) Icircn figura 116 am reprezentat curbele de icircncălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare Dacă puterea care se dezvoltă icircn regim de scurtă durată (RSD) este PSD se constată că supratemperatura maximă care se atinge icircn acest regim este τ SD mai mică decacirct supratemeratura care s-ar atinge icircn regim de durată şi care corespunde temperaturii maxime admisibile Putem concluziona că icircn acest regim se poate aplica o suprasarcină fără a periclita stabilitatea termică a aparatului Folosirea aparatului icircn regim de scurtă durată la o putere mai mare decacirct cea icircn regim permanent este recomandabilă pentru a mări eficienţa economică a aparatului şi a obţine reducerea costurilor Definim coeficientul de suprasarcină termică admisibilă icircn regim de scurtă durată astfel
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
D
SD
SD
sp P
Pk =ττ
= (1161)
Figura 116 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtă durată
Scriind ecuaţia curbei de icircncălzire (1146) pentru regimul de scurtă durată
minussdotτ=τ
minusTt
sSD
i
e1 (1162)
Am notat cu ti timpul de icircncălzire icircn regim de scurtă durată Rezultă pentru coeficientul de suprasarcină expresia
Ttp i
e1
1kminus
minus= (1163)
Pentru a obţine o expresie mai simplă pentru Kp dezvoltăm icircn serie
Taylor pe Tti
eminusşi reţinem primi doi termeni
Tt1e iT
t1
minusasympminus
(1164)
Rezultă pentru Kp expresia
i
P tTk = (1165)
Deoarece pierderile specifice sunt proporţionale cu pătratul curentului coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
i
PI tTkk == (1166)
Rezultă că icircn regim de scurtă durată pentru ca aparatul să nu se icircncălzească peste temperatura admisibilă el poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decacirct curentul din regim de permanent
155 Icircncălzirea corpurilor icircn regim de scurtcircuit
Un caz specific al regimului de scurtă durată de o deosebită importanţă tehnică corespunde regimului de scurtcircuit care se caracterizează prin curenţi de intensitate foarte mare de 10 ndash 20 de ori mai mari decacirct curenţii nominali sau chiar mai mari şi o durată foarte scurtă (005 divide 2 s) deoarece aparatele de protecţie elimină defectul De aceea acest regim se poate considera adiabatic icircntreaga căldură care se dezvoltă icircn aparat icircn regim de scurtcircuit acumulacircndu-se icircn aparat neavacircnd loc cedare de căldură către mediul ambiant Icircn figura 117 am reprezentat icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit după un regim permanent (cazul cel mai frecvent icircntacirclnit icircn practică)
Figura 117 Icircncălzirea unui corp icircn regim de scurtcircuit
Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1136) devine icircn acest caz (α=0) P middot dt = c middot M middot dτ (1167) Deoarece
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
P = α middot S middot rs (1168) T = c middot M α middot S (1169) Rezultă
s
dTdt
ττ
= (1170)
Integracircnd relaţia (1170) rezultă
Tt
s sdotτ=τ (1171)
Se observă că temperatura variază liniar cu timpul Reprezentarea grafică (figura 117) a regimului de scurtcircuit declanşat la momentul t1
cacircnd corpul se găseşte la temperatura staşionară τs şi care durează pacircnă la momentul t2 Deoarece durata regimului (t2 ndash t1) este foarte scurtă supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 divide 3 ori supratemperatura icircn regim staţionar Evident scurtcircuitul poate apare icircnainte de atingerea regimului staţionar sau putem conecta un aparat direct icircn regim de scurtcircuit icircn care caz temperatura va varia după o curbă paralelă cu cea din figură dar deplasată corespunzător icircn jos Conform relaţiei (1171) se poate da o interpretare fizică constantei termice de timp T după cum urmează constanta termică de timp este acel interval de timp icircn care conductorul fără icircncălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant se icircncălzeşte la pierderi constante (p=ct) pacircnă la supratemperatura τs din regim staţionar Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se icircncălzesc puternic ceea ce poate duce la topirea lor şi la avarii grave icircn instalaţii Rezultă că este de dorit ca aparatele de protecţie să elimine cacirct mai rapid defectul de scurtcircuit icircnainte ca conductoarele să fie avariate prin efectul cumulativ al căldurii icircnmagazinate
156 Icircncălzirea unui conductor icircn regim periodic intermitent
Icircn numeroase aplicaţii tehnice aparatele sunt alimentate periodic deoarece sarcina aparatului variază periodic Astfel după o perioadă de icircncălzire urmează o perioadă de răcire ciclul repetacircndu-se la intervale de timp egale Regimul se numeşte periodic intermitent (RPI) cacircnd alimentarea şi repaosul aparatului se succed icircn mod periodic
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Icircn figura 118 sunt prezentate intervale de timp de icircncălzire ti şi de răcire tr Aparatul se va icircncălzi treptat după o curbă icircn zig-zag tinzacircnd să se stabilizeze din punct de vedere termic icircntre două temperaturi τmin şi τ max Intervalul de timp ti + tr = tc se numeşte durata unui ciclu şi trebuie să icircndeplinească condiţia tc lt 10 min Raportul
r1
iA tt
tD+
= (1172)
se numeşte durată de anclanşare (acţionare) iar raportul
100tt
tDri
iA sdot
+=[] (1173)
poartă denumirea de bdquoDurată relativă de anclanşareldquo iar valorile ei sunt standardizate la 10 25 60 şi 100 Pentru a determina legea de variaţie τ = f(t) icircn regim periodic intermitent am reprezentat icircn figura 118 curbele de icircncălzire paralele cu curba τi şi curbele de răcire paralele cu curba τr icircn ipoteza că T are aceiaşi valoare la icircncălzire şi răcire (lucru care este adevărat doar pentru aparatele care nu sunt cu convecţie forţată)
Figura 118 Icircncălzirea corpurilor icircn Regim periodic intermitent
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Folosind ecuaţiile ce descriu icircncălzirea (1145) şi răcirea corpurilor (1158) vom putea scrie pentru RPI prezentat icircn figura 118
minussdotτ=τ
minusTt
s1
i
e1 (1174)
Tt
12
i
eminus
sdotτ=τ (1175)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminusTt
sTt
43
ii
e1e (1176)
Tt
34
r
eminus
sdotτ=τ (1177)
Tt
n2n2
r
eminus
sdotsdot sdotτ=τ (1178)
minussdotτ+sdotτ=τ
minusminus
sdot+sdotTt
sTt
n21n2
ii
e1e (1179)
După un număr suficient de mare de cicluri icircncălzire-răcire ale RPI se stabileşte un regim periodic staţionar (supratemperatura oscilează icircntre valoarea maximă τmax şi valoarea minimă τmin Rezultă că τ2n ndash 1 = τ2n + 1 (1180) Se observă că τ2n = τmin adică
Tt
Tt
Tt
c
cr
e1
eeminus
minusminus
minus
minus=τmin (1181)
Prin icircnlocuire icircn (1179) rezultă
sTt
Tt
c
i
e1
e1τsdot
minus
minus=τ
minus
minus
max (1182)
Valorile determinate pentru τmax şi τmin determină domeniul icircn care variază temperatura corpului după un număr foarte mare de cicluri ale RPI Dacă icircn RPI avem tr = 0 rezultă τmax = τmin = τs şi regăsim regimul permanent ca un caz particular al RPI fără intervalul de răcire De importanţă tehnică este determinarea Coeficientul de suprasarcină admisibilă Kp definit prin relaţia (1161) şi care icircn RPI devine
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Ai
c
i
c
Tt
Tt
max
sp D
1tt
Tt11
Tt11
e1
e1ki
c
=cong
minusminus
minusminus
congminus
minus=
ττ
=minus
minus
(1183)
Coeficientul suprasarcină icircn curent definit prin relaţia (1166) devine icircn RPI
A
pr D1kk == (1184)
Icircn exploatare se va avea icircn vedere faptul că orice aparat construit pentru un regim permanent poate fi supraicircncărcat icircn RPI cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină Prin supraicircncărcare aparatul nu va depăşi solicitările maxime admisibile şi va fi folosit icircntr-un mod mai eficient
16 Stabilitatea termică a aparatelor electrice
Icircncălzirea reprezintă una din solicitările cele mai importante la care sunt supuse aparatele electrice icircn timpul exploatării lor Limita de icircncălzire şi deci temperatura cea mai mare pe care o atinge un aparat electric icircntr-un punct al său este determinată de următorii factorii ndash necesitatea conservaării proprietăţilor fizicondashmecanice şi chimice ale conductoarelor ndash conservarea proprietăţilor electroizolante ale izolaţiilor şi o durată de viaţă cacirct mai mare a acestora ndash conservarea propietăţilor icircmbinărilor prin lipire şi sudare ndash menţinerea calităţii contactelor electrice icircn limitele admisibile Limitele de temperatură (maxime şi minime) ale aparatelor electrice sunt date icircn standarde şi trebuiesc respectate cu rigurozitate pentru ca nici una din caracteristicile tehnice ale aparatului să nu sufere vreo icircnrăutăţire care să-i prejudicieze funcţionarea sau care să-i reducă durata de viaţă prestabilită Putem defini bdquoStabilitatea termicăldquo a unui aparat icircn regim permanent ca fiind proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale unui anumit curent un timp oricacirct de lung fără ca icircncălzirea diferitelor părţi ale aparatului să depăşească temperaturile maxim admisibile sau să producă degradarea inadmisibilă a oricărei caracteristici tehnice a sa Stabilitatea termică a unui aparat este caracterizată icircn regim permanent de către curentul nominal al aparatului (In) care este icircn cc valoarea maximă
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
a curentului iar icircn curent alternativ valoarea efectivă maximă denumită curent echivalent termic Acest curent este valabil atacircta timp cacirct condiţiile termice exterioare sau de răcire sunt cele prescrise icircn standarde Icircn caz contrar trebuieşte adaptat regimul de lucru la noile condiţii termice Deoarece fenomenele termice sunt cumulative icircn regim tranzitoriu valorile maxime admisibile vor fi şi icircn funcţie de timpul cacirct aparatul va fi solicitat termic Astfel pentru curentul de scurtcircuit care apare icircn general după funcţionarea aparatului icircn regim nominal de durată icircncălzirea va depinde şi de temperatura avută de aparat anterior regimului de avarie Deoarece durata scurtcircuitului este mică se admite o icircncălzire mai mare decacirct icircncălzirea staţionară din regim nominal fără a exista pericolul de degradare a aparatului Proprietatea aparatului de a suporta solicitările termice ale curenţilor de scurtcircuit pentru o durată bine precizată fără deteriorări inadmisibile ale niciuneia din caracteristicile sale tehnice se numeşte bdquoStabilitate termicăldquo a aparatelor electrice icircn regim de avarie şi se exprimă prin curentul de stabilitate termică (Ist) Valoarea lui este prevăzută icircn standarde raportată la numite intervale de timp 10 secunde 5 secunde sau 1 secundă Alegerea curenţilor de stabilitate termică pentru un aparat se face ţinacircnd seama de valorile maxime ale curentului de scurtcircuit (icircn cazul cel mai defavorabil) şi de durata maximă posibilă a acestui curent ţinacircnd cont de caracteristicile schemei de protecţie Calcularea curentului de stabilitate termică pentru o valoare nestandardizată a timpului de acţionare a curentului de scurtcircuit (tx) se obţine din condiţia I2 middot t = ct (1185) cu formula
x
stNstx tNII sdot= (1186)
icircn care N este cea mai apropiată valoare standardizată a duratei curentului de scurtcircuit de timpul tx iar N isin1510
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
Test minimal de verificare a cunoştinţelor
Pe baza noţiunilor tehnice prezentate icircn capitolul bdquoProcese termice icircn aparate electriceldquo răspundeţi la următoarele icircntrebări
1 Ce surse de căldură există icircn aparatele electrice 2 Ce este efectul electrocaloric 3 Ce pierderi apar icircn miezurile feromagnetice 4 Ce pierderi apar icircn izolaţii 5 Definiţi supratemperatura 6 Ce subansamble ale aparatelor electrice se verifică la icircncălzire 7 Ce este o izotermă 8 Care este ecuaţia unei izoterme 9 Care este Legea transformării energiei icircn conductoarele parcurse de
curent 10 Icircn ce se măsoară pierderile specifice 11 Icircn ce se măsoară fluxul termic 12 Definiţi densitatea de flux termic 13 Icircn ce se măsoară densitatea de flux termic 14 Care este legătura empirică icircntre densitatea de flux termic şi
temperatură 15 Ce măsoară divergenţa densităţii de flux termic 16 Definiţi conductivitatea termică 17 Icircn ce se măsoară conductivitatea termică 18 Definiţi coordonatele cilindrice icircn funcţie de coordonatele
carteziene 19 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate carteziene 20 Definiţi operatorul Laplace icircn coordonate cilindrice 21 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 22 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 23 Scrieţi ecuaţia Poisson icircn coordonate cilindrice 24 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
izotrop 25 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate carteziene icircntr-un mediu
anizotrop 26 Scrieţi ecuaţia Laplace icircn coordonate cilindrice 27 Scrieţi ecuaţia Fourier pentru regimul termic nestaţionar
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
28 Definiţi difuzivitatea termică 29 Icircn ce se măsoară difuzivitatea termică 30 Cacircte tipuri de transmisivităţi termice cunoaşteţi 31 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
conducţie 32 Care este expresia căldurii cedată mediului ambiant prin
convecţie 33 Ce este convecţia forţată 34 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn aer 35 Cum se poate realiza răcirea forţată icircn ulei 36 Care este Legea lui Stefan Boltzmann 37 Cacirct este transmisivitatea termică prin radiaţie 38 Care este expresia căldurii cedate mediului ambiant prin radiaţie 39 Cum trebuiesc vopsite carcasele pentru o răcire cacirct mai intensă
prin radiaţie 40 Care este transmisivitatea termică totală 41 Care este Legea lui Ohm pentru transmiterea căldurii 42 Care este expresia rezistenţei termice 43 Icircn ce se măsoară rezistenţa termică 44 Ce sunt condiţiile de limită 45 Pe baza căror echivalenţe se realizează circuitul electric
echivalent transmisiei căldurii 46 La ce bobine trebuie să izolăm termic bobinajul de miezul
feromagnetic 47 Care este ecuaţia generală a bilanţului termic a unui conductor 48 Cum variază rezistivitatea electrică cu temperatura 49 Definiţi regimul termic staţionar 50 Care este expresia supratemperaturii staţionare 51 Care este expresia constantei termice de timp 52 Icircn ce se măsoară constanta termică de timp 53 Care este interpretarea matematică a constantei termice de timp 54 Care este interpretarea fizică a constantei termice de timp 55 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp cu supratemepratură
iniţială 56 Care este ecuaţia icircncălzirii unui corp fără supratemepratură
iniţială 57 Care este ecuaţia răcirii unui corp 58 Definiţi regimul termic de scurtă durată 59 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim de scurtă
durată
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit
60 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim de scurtă durată
61 Cum variază temepratura icircn regim de scurtcircuit 62 Definiţi Regimul periodic intermitent 63 Definiţi durata relativă de anclanşare 64 Cacirct este coeficientul de suprasarcină termică icircn regim periodic
intermitent 65 Cacirct este coeficientul de suprasarcină pentru curent icircn regim
periodic intermitent 66 Ce este stabilitatea termică a unui aparat 67 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim permanent 68 Ce mărime caracterizeză stabilitatea termică a unui aparat icircn
regim de avarie 69 Ce timpi s-au standardizat pentru stabilitatea termică la
scurtcircuit 70 Cu ce formulă se echivalează curenţii de stabilitate termică la
scurtcircuit