Modelación térmica de la refrigeración por convección natural de transformadores de distribución de tipo onan

Résumé

La presente tesis se centra en el desarrollo de modelos matemáticos que simulan el fenómeno de refrigeración que tiene lugar dentro de los transformadores de distribución de tipo ONAN. Se han planteado modelos térmicos de distinto orden de complejidad que han ido reduciéndose de manera sistemática en busca de una mayor eficiencia. Primeramente se ha trabajado con modelos diferenciales detallados analizando las características térmicas y de flujo principales y obteniendo información relevante del proceso. En un siguiente paso se ha desarrollado y ajustado un modelo zonal simplificado basándose en esta información clave. El modelo simplificado caracteriza correctamente los aspectos críticos del modelo detallado, ofreciendo resultados útiles en un lapso de tiempo muy reducido. Los resultados térmicos ofrecidos por sendos modelos han sido numéricamente verificados, experimentalmente validados y completamente analizados. El modelo simplificado se ha implementado en un software propio que facilita el diseño de transformadores de distribución desde un punto de vista estrictamente térmico. Esta herramienta permite analizar de manera sencilla distintos tipos de configuración geométrica y condiciones de funcionamiento y obtener cuál es la respuesta térmica estacionaria del diseño planteado. Si el diseño no supera las expectativas planteadas de cara a su homologación se facilita el proceso de rediseño y optimización de sus principales parámetros, de manera semi-automatizada. Se muestra un estudio paramétrico específico que permite valorar la importancia relativa de distintos aspectos de diseño en la respuesta térmica obtenida. Toda esta información y la herramienta desarrollada resultan de gran utilidad para el diseñador de transformadores de distribución de tipo ONAN. The present thesis is focused on the development of mathematical models to simulate the cooling process that takes place inside ONAN distribution transformers. Thermal models of different order have been set out reducing systematically their complexity to find a higher efficiency. In a first step, detailed differential models have been used to study the principal flow and thermal characteristics and to obtain relevant information of the cooling process. In a next step, a simplified zonal model has been developed and adjusted based on this key information. The simplified model adequately characterizes all the critical skills of the detailed model, obtaining practical results in a short period of time. The thermal results of both models have been numerically verified, experimentally validated and completely analyzed. The simplified model has been implemented in a software that makes easier the design process of distribution transformers from a thermal point of view. This tool permits to know which the steady thermal response of a proposed design is and allows a straightforward analysis of different kind of geometric configurations and operational conditions. The principal parameters can be redesigned or optimized in a semi-automatized way if the adopted configuration doesn¿t pass the homologation requirements. A specific parametric analysis that permits the assessment of the relative importance of different design aspects on the obtained thermal response is shown. The developed tool and the obtained information are quite useful for the ONAN distribution transformer designers.