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INICIO : Electrotecnia para aplicaciones industriales

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CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Transmisión del calor en conductores. Cálculo de la sección de conductores. Cálculo de la sección teniendo en cuenta el calentamiento de los conductores. Densidad de corriente de un conductor.

Transmisión del calor.

El efecto Joule se produce en los cables que transmiten cierta corriente. Sin querer reducir la importancia desde el punto de vista de las perdidas, debemos destacar que el calor que se produce en el cable que transporta cierta corriente debe ser disipado al ambiente que lo rodea, de otra manera el conductor, y el aislante que lo rodea pueden alcanzar valores de temperatura intolerables para la buena conservación de sus características.

La temperatura máxima que el conductor puede alcanzar esta condicionada por su estado de tensión mecánica, que puede ser elevado y entonces obliga a no pasar de ciertas temperaturas para que no se produzcan efectos de perdidas de las características mecánicas.

Para los cables aislados, la alta temperatura del conductor esta condicionada por la que soportan los materiales aislantes que lo rodean, las altas temperaturas abrevian la vida útil de los mismos.

A su vez, el material aislante que rodea al conductor se comporta como una barrera térmica, dificultando la disipación del calor al ambiente.

También los detalles de instalación de los cables influyen en la transmisión y disipación del calor, cuando el cable esta contenido en un caño por ejemplo.

Los cables en haz, se calientan unos a otros, dificultando el enfriamiento del haz, es mas, en algunos puntos existe mas dificultad para disipar el calor, por ejemplo los cables internos del haz están en peores condiciones que los de la periferia, y esto debe tenerse en cuenta cuando se proyecta el tendido.

La energía calorífica generada en un punto se transmite desde las zonas de temperaturas más altas a las más bajas. Esta transmisión puede conducirse de tres formas diferentes:

Conducción: el calor se transmite por contacto íntimo entre dos materiales, como por ejemplo en los metales.

Convección: todos los gases y líquidos, cuando se calientan se dilatan y disminuyen de densidad, lo que hace que tiendan a desplazarse. Así, por ejemplo, un radiador eléctrico, que transmita calor por convección (convector), calienta el aireque entra en contacto con su superficie, lo que hace que éste ascienda y se mueva por toda la estancia que hay que calentar.

Radiación: este tipo de transmisión se produce por ondas y es similar a la que se produce por el sol. De esta forma de transmisión se aprovechan elementos calefactores como, por ejemplo, las estufas de rayos infrarrojos, placas solares de alta temperatura, hornos eléctricos.

Cálculo de la sección de conductores

Fijadas las temperaturas máximas admisibles para los materiales aislantes, a fin de que la duración de los componentes sea suficiente, y dadas las características físicas de materiales aislantes y conductor, determinadas las dimensiones del conductor, y el espesor del aislante, es posible realizar el balance térmico que corresponde.

Cuando se llega al estado permanente todo el calor producido debe ser disipado a través de las barreras térmicas, que dependen de la instalación particular, si se fija un modo de instalación que se define como referencia se puede determinar la corriente limite que corresponde a cada sección, y a cada espesor de aislante (y vaina protectora).

Uno de los efectos perjudiciales del efecto Joule es el calentamiento que se produce en los conductores eléctricos cuando son recorridos por una corriente eléctrica. Para evitar que este calentamiento alcance valores que sean perjudiciales para los mismos se construyen de diferentes secciones. Cuando más corriente se prevee que va fluir por ellos, mayor será su sección.

La sección de un conductor es la superficie que aparece cuando le cortamos perpendicularmente a su longitud. Por lo general los conductores son cilíndricos, por lo que la sección suele ser un área circular (ver figura siguiente). La sección de los conductores se suele expresar en mm2.

Dado que los conductores no son perfectos y poseen una cierta resistencia eléctrica, cuando son atravesados por una corriente eléctrica se producen dos fenómenos .

  • Se calientan y pierden potencia
  • Al estar conectados en serie con los aparatos eléctricos que alimentan, se produce una caída de tensión, que hace que se reduzca aprecieblemente la tensión, al final de la línea.

Éstos son los dos factores mas importantes que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar la sección mas adecuada para una instalación eléctrica.

Normalmente el fabricante de cables, en su catalogo incluye una tabla donde indica para cada sección la capacidad de transporte del cable tendido en aire o enterrado, en ambos casos en una situación que se considera normal, y que esta definida en el mismo catalogo.

Debe tenerse cuidado cuando se comparan catálogos de distintos fabricantes, o fabricaciones hechas bajo distintas normas, ya que no siempre las condiciones de referencia son iguales, y quien hace la comparación debe tener esto en cuenta para lograr una adecuada homologación.

Cálculo de la sección teniendo en cuenta el calentamiento de los conductores.

El calor que producen los conductors es proporcional a la potencia PPLque pierde en ellos. Ésta aumenta con la resistencia del conductor (RL) y con el cuadrado de la intensidad de corriente (I2) que conduce.

PPL = RL. I2

Dado que la resistencia del conductor depende de su sección, si queremos conseguir bajas pérdidas de potencia debemos aumentar considerablemente su sección .

Problemas resueltos :

1) Calcular la potencia que se pierde en un conductor de cobre de 100 m de longitud y 1,5 mm2 de sección que alimenta un motor eléctrico de 3 KW de potencia a una tensión de 230 V.

Solución : Primero se calcula la intensidad de corriente que fluye por el conductor:

Ahora calculamos la resistencia del conductor :

Ya podemos calcular la potencia perdida en el conductor que se transforma en calor :

PPL = RL. I2 = 1,13 . 132 = 191 W

La potencia perdida en un conductor produce calor que, al acumularse, eleva su temperatura, pudiendo llegar a fundir el aislante del conductor (el plástico que rodea al conductor). Esto puede llegar a ser muy peligroso ya que podría originar incendios. Por lo tanto, los aislantes al estar sometidos a estas temperaturas, pierden parte de su capacidad para aislar y envejecen con rapidez, lo que los hace quebradizos y prácticamente inservibles.

Las condiciones de tendido, y los apartamientos de las condiciones ambientes definidas como normales afectan la capacidad de transporte del cable.

La corrección se hace con factores que también se incluyen normalmente en los catálogos, y corresponden a estudios realizados y frecuentemente incorporados a las normas de instalación de distintos países.

El material empleado en electricidad es por excelencia el cobre. Es un material dúctil, muy buen conductor y bastante fácil de manejar, en otras palabras un material sin problemas.

No existiría ninguna razón para suplirlo si no fuera simplemente por que su uso se ha extendido tanto como su precio. Al ser utilizado en la construcción de máquinas eléctricas, de circuitos de baja tensión, de líneas de transporte de energía eléctrica, etc., su valor ha ido en aumento, lo que ha estimulado la búsqueda de nuevos de materiales alternativos.

2) ¿Cuál sería la perdida de potencia si aumentamos la sección de los conductores del ejemplo anterior a 4 mm2?

Solución: PPL = 78 W

Está claro que al aumentar la sección del conductor, disminuye la pérdida de potencia y, por tanto, el calor producido por el mismo.

El calentamiento de un conductor, entre otros factores, depende de la intensidad de corriente que circule por él. Luego, cuanto mayor sea la corriente que circula por un conductor, mayor tendrá que ser la sección de éste para que no se caliente excesivamente.

La selección de los factores es delicada, estos reducen la capacidad de transporte del cable, o la aumentan en rangos muy importantes (dos veces...) y si mal evaluados afectan la vida útil de la instalación, o significan desperdicio de dinero... siendo en ambos casos el daño desmedido.

Algunos factores pueden ser fácilmente evaluados por simples razonamientos físicos hechos sobre el modelo de disipación de calor del cable, y es bueno realizar este ejercicio.

Dado que el calor se va a concentrar más en un conductor instalado bajo tubo que en un conductor instalado al aire, también habrá que tener en cuenta, a la hora de determinar la sección, la forma de instalar los conductores. Por el mismo razonamiento, también hay que tener en cuenta la forma de agrupación de los conductores:

  • Conductores unipolares: línea formada por conductores separados.
  • Conductores bipolares: línea formada por dos conductores unidos por material aislante.
  • Conductores tripolares: línea formada por tres conductores unidos por material aislante.

Son los fabricantes de conductores eléctricos los que tienen que indicar la intensidad que soportan éstos (intensidad máxima admisible) en función de las condiciones de instalación.

Densidad de corriente de un conductor.

La densidad de corriente de un conductor nos indican los amperios por milímetro cuadrado que circulan por el mismo :

Si por ejemplo se debe alimentar un horno que consume 25 A, con un conductor de 4 mm2, la densidad de corriente sobre el mismo sería de:

La densidad de corriente admisible por un conductor depende de las condiciones de instalación, tipo de cable y sección del conductor (según aumenta la sección, el calor se disipa peor y la densidad admisible disminuye ).


 

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