¿Cómo funciona el sistema de enfriamiento de un generador diesel?

¿Cómo funciona el sistema de enfriamiento de un generador diesel?

Este capítulo habla sobre las partes más importantes de los sistemas de enfriamiento del motor diesel y por qué cada una es importante para que el motor funcione bien.

Refrigeración mecánica del motor
El sistema de enfriamiento absorbe del 25 al 30 por ciento de todo el calor que proviene del combustible y entra en el motor.
Si este calor no se elimina por sí mismo, la temperatura interna del motor aumentará rápidamente hasta el punto en que las piezas se rompan y el motor deje de funcionar. Todos los motores diésel comerciales tienen un sistema de refrigeración para recoger este calor y trasladarlo a un medio que absorba el calor fuera del motor.
Muchos motores modernos tienen sistemas de turboalimentación que aseguran que haya suficiente aire para quemar el combustible y generar la potencia que se necesita. El mecanismo de turboalimentación calienta el aire de combustión. Antes de que el aire de combustión ingrese a los cilindros del motor, debe enfriarse para asegurarse de que haya suficientes libras de aire para quemar el combustible (para mantener la densidad del aire). Se coloca un intercambiador de calor que parece un radiador en la tubería entre la salida del compresor del turbocompresor y el colector de aire del motor. Esto se llama intercooler de aire o posenfriador. El trabajo de este radiador es eliminar el calor del aire de combustión. Este intercambiador de calor puede usar el sistema de agua de las camisas o el sistema de agua de servicio para obtener su agua (el disipador de calor definitivo).
Cuando se usa agua de servicio, puede haber un intercambiador de calor adicional entre el sistema de agua de servicio y el sistema de agua del intercooler para limpiar y mantener el agua en el sistema de agua del intercooler para que no dañe el intercooler de aire.

Fundamentos del sistema de enfriamiento
La mayoría de los motores diesel tienen un sistema de enfriamiento que parece una chaqueta y tiene un circuito cerrado. A medida que el refrigerante fluye a través del motor, recoge calor de las camisas de los cilindros, las culatas de los cilindros y otras partes.

Cuanto más frío esté el refrigerante cuando sale del motor, mejor funcionará el motor. Por otro lado, las temperaturas del refrigerante demasiado altas pueden causar daños estructurales al permitir que las piezas del motor se sobrecalienten. El aceite lubricante también se puede enfriar usando agua de camisa y un intercambiador de calor. La mayoría de los motores diesel funcionan mejor con una temperatura de descarga del agua de las camisas de aproximadamente 180 oF y un aumento de temperatura a través del motor de entre 8 y 15 oF.

La mayoría de los motores diésel se enfrían con agua como refrigerante. Aún así, el agua por sí sola puede causar oxidación, acumulación de minerales y congelamiento.
Se debe agregar anticongelante, como glicol de etileno o glicol de propileno, a los motores que pueden estar cerca o por debajo del punto de congelación. La solución más común es mezclar anticongelante y agua, que funciona a temperaturas tan bajas como -40 grados F. El anticongelante comercial contiene sustancias químicas que evitan que se oxide. Agregar anticongelante dificulta que el calor se mueva.
La mayoría de las veces, los motores diésel que se utilizan en los reactores nucleares para servicio de emergencia no están expuestos a temperaturas bajo cero. En estas condiciones, no hay necesidad de anticongelante. Aún así, la corrosión se puede detener mezclando productos químicos que detienen la corrosión con agua a la que se le han despojado de sus minerales.

Química del agua: el agua utilizada para enfriar un motor no debe tener ningún producto químico que cause depósitos o incrustaciones. La mayoría de las veces se utiliza agua desmineralizada. El pH del agua debe estar entre 8 y 9,5.
Lo mejor es agregar un inhibidor de la corrosión como Nalco 2000 para evitar que se acumulen incrustaciones en las camisas y las culatas de los cilindros. Un dieciseisavo de pulgada de escala es lo mismo que agregar una pulgada de acero al motor para que sea menos probable que deje pasar el calor. Cada cierto tiempo se realiza un análisis químico del refrigerante y se agrega la cantidad correcta de inhibidor de corrosión para mantener la química del agua adecuada.

Cómo mantener un motor fresco
En algunas configuraciones, el agua en el intercooler y el agua en la camisa se enfrían en diferentes partes del radiador. La mayoría de las veces, el circuito de agua de las camisas se usa para enfriar el aceite lubricante en estas situaciones.
Con la ayuda de un tanque de expansión (también llamado "cabeza" o "tanque de compensación"), que se instala sobre el motor para mantener la cabeza en el sistema, el refrigerante se almacena en el propio sistema del motor. El motor acciona la bomba, que extrae aire del sistema y envía refrigerante al motor. En la mayoría de los sistemas, el agua sale del motor a través de una válvula controlada por un termostato. Si el agua está demasiado fría, una línea la deja pasar alrededor del intercambiador de calor. El agua pasa por el intercambiador de calor si está demasiado caliente.
La válvula de control termostático (TCV) detecta qué tan caliente está el refrigerante y reacciona ante él.

Tan pronto como la temperatura del refrigerante del motor cae por debajo del punto de ajuste de la válvula, el refrigerante se envía a través del intercambiador de calor del agua de las camisas. Cuando la temperatura del refrigerante es superior al punto de ajuste, la válvula envía el refrigerante a través del intercambiador de calor. Luego, el exceso de calor se envía al sistema de agua cruda o de servicio. Cuando un motor diesel arranca, el flujo de agua de servicio comienza por sí mismo.
A través de la salida del intercambiador de calor, o línea de derivación, el agua regresa a la bomba de agua de las camisas y, eventualmente, al motor. En muchos sistemas, el sistema de aceite de lubricación se enfría mediante un intercambiador de calor en el sistema de agua de las camisas. Para los motores en los que es importante mantener el aceite lubricante más frío que el agua de las camisas, el calor del aceite se envía directamente al sistema de agua cruda/de servicio a través del intercambiador de calor en el sistema de aceite lubricante.
Cuando el refrigerante llega al bloque de cilindros, fluye a través de canales internos y/o tuberías hasta la parte inferior de las camisas de los cilindros. A medida que el líquido sube, fluye alrededor de las camisas de los cilindros y hacia las culatas. Cuando el refrigerante sale de las culatas, se dirige a un cabezal de salida y luego a la válvula termostática.
En los motores con enfriadores intermedios o enfriadores posteriores, parte del agua de las camisas pasa a través de los enfriadores intermedios para absorber calor de la carga de aire entrante que no se necesita. En muchos motores con enfriadores intermedios o enfriadores posteriores, este calor adicional se envía al sistema de agua cruda/de servicio mediante un intercambiador de calor separado. Esto es bueno porque el agua en el intercooler debe enfriarse a una temperatura más baja que el agua en el sistema de agua de las camisas. La mayoría de los motores ALCO utilizan el sistema de agua de las camisas para enfriar el agua en el intercooler.

Tanque de expansión: muchos motores usan un tanque de expansión con un cierre presurizado, o el tanque de expansión está montado lo suficientemente alto como para mantener la cabeza requerida (cabeza de presión positiva neta - NPSH) en el sistema. La mayoría de las veces, el tanque de expansión se coloca justo encima del punto más alto del sistema de agua de enfriamiento de las camisas y se usan líneas de ventilación para mantener el sistema libre de aire. Algunos tanques de expansión se pueden bombear para mantener una presión más alta, lo que ayuda a elevar el punto de ebullición del líquido refrigerante.

Un tubo vertical es un tanque que se instala verticalmente y está a la misma altura que el motor. Contiene refrigerante del motor y tiene un espacio para que el aire compense la expansión del refrigerante cuando se calienta.
Los tubos verticales generalmente se ventilan al aire, creando un sistema de enfriamiento que no está bajo presión. El nivel del agua en la tubería vertical debe ser lo suficientemente alto para alcanzar el NPSH requerido, o el tanque debe estar presurizado.

Bomba de agua de las camisas: El motor impulsa la bomba de agua de las camisas centrífuga de etapa única, que es impulsada por el cigüeñal del motor a través de una serie de engranajes.

Como se ve, el agua ingresa a la entrada de succión de la bomba. El tren de engranajes del motor impulsa el engranaje impulsor de la bomba, que a su vez hace girar el eje de la bomba y el impulsor. La velocidad del refrigerante aumenta por la fuerza centrífuga cuando gira el impulsor. A medida que el refrigerante ingresa a la carcasa de la bomba, su velocidad se reduce y su presión aumenta proporcionalmente. El refrigerante se derrama desde la carcasa de la bomba hacia el colector de agua de las camisas hasta el extremo inferior de las camisas de los cilindros a una presión más alta.

El refrigerante del motor sube por la parte inferior de la válvula de control termostática. Cuando la temperatura del refrigerante es baja, como se muestra en el lado derecho del diagrama, el asiento de la válvula deslizante permanece en la posición superior y el refrigerante circula por el intercambiador de calor.
A medida que aumenta la temperatura del refrigerante, los gránulos de cera dentro de los elementos de control de temperatura se expanden. Esto empuja hacia abajo el tubo del elemento y el asiento de la válvula. Por lo tanto, el flujo a través de la derivación se limita o estrangula, como se muestra en el lado izquierdo del diagrama, y ​​se envía refrigerante al intercambiador de calor.
En uso, la válvula cambia su posición en un rango de temperatura de aproximadamente 10 a 150 grados Fahrenheit para mantener la temperatura del refrigerante bastante estable.

Intercambiador de calor de agua de camisa: los intercambiadores de calor de agua de camisa generalmente están hechos de una carcasa y tubos. En el lado de la carcasa, el refrigerante del motor generalmente fluye sobre los tubos, mientras que el agua de servicio fluye a través de los tubos.

Sistemas de mantenimiento de calor de agua de camisa
Cuando un motor se apaga por un tiempo, la temperatura dentro del motor baja mucho. Arrancar y cargar rápidamente un motor frío, que es típico de los diésel de aplicación nuclear en situaciones de emergencia, somete al motor a una gran tensión y lo desgasta más rápido hasta que alcanza su temperatura normal de funcionamiento.
El sistema de calentamiento del agua de las camisas se muestra en el mismo plano que el sistema de enfriamiento del agua de las camisas estándar. Esta pieza mantiene la temperatura del refrigerante del motor en o cerca de la temperatura normal de funcionamiento. Esto no significa que todas las partes estén a su temperatura normal.
Debido a que los motores diesel usan el calor de la compresión para arrancar, mantener el motor caliente hace que arranque mucho más rápido y hace que sea menos probable que el motor no arranque porque la temperatura del aire de admisión es demasiado baja.

Bomba Keepwarm: La bomba Keepwarm es una bomba centrífuga de una sola etapa que funciona con electricidad. Es similar a la bomba accionada por motor en que mantiene el refrigerante caliente moviéndose a través del motor incluso cuando el motor está apagado.

Calentador de mantenimiento del calor: El calentador de mantenimiento del agua de la chaqueta es un calentador eléctrico de estilo de inmersión, al igual que el calentador de mantenimiento del calor de aceite lubricante.
Se coloca en una tubería vertical separada o en un tanque de calefacción. Está controlado por un termostato para mantener el motor a la temperatura adecuada.

Cómo funciona el sistema: cuando el motor está en el modo de "espera", se enciende el sistema "mantener caliente". La bomba de mantenimiento del calor crea un vacío en el sistema y envía agua a la entrada de agua de las camisas del motor. Cuando el motor está funcionando, se pueden colocar válvulas de retención en el sistema de mantenimiento de calor para detener el flujo en la dirección incorrecta. El refrigerante calentado fluye a través del motor, calentando los cilindros, las culatas y otras partes que se enfrían con agua.

Sistema de agua de refrigeración
El sistema de agua del intercooler suministra agua al intercooler o posenfriador, que está instalado en las tuberías de admisión de aire de combustión del motor. Es un intercambiador de calor como un radiador que enfría el aire de combustión después del compresor del turbocompresor y antes del colector/cámara de aire del motor.
El enfriamiento hace que el aire sea más denso, lo que permite que más oxígeno queme más combustible y genere más energía. Además, el aire de combustión enfría las cabezas de los pistones.
El agua utilizada para el enfriamiento intermedio debe estar típicamente bastante cerca de la temperatura del aire circundante. Por esta razón, generalmente es mejor usar agua de servicio en lugar de agua de camisa, que tiene una temperatura mucho más alta (160 a 180 oF).
Un diagrama típico del sistema de agua del interenfriador y del posenfriador
Debido a que estas piezas son las mismas que se usan en el sistema de agua de las camisas, no hablaremos más de ellas.
En algunos sistemas de agua del intercooler, se puede usar un termostato para evitar que el agua del intercooler se enfríe demasiado, especialmente en climas fríos o cuando el motor no está funcionando mucho. Esto evita que la humedad se condense en el aire de combustión tanto como sea posible. En algunos sistemas, el sistema de agua de las camisas y el sistema de agua del intercooler están conectados para que el intercooler pueda calentarse cuando sea necesario.
Si el aire de combustión que ingresa al motor es demasiado frío, es posible que el motor tarde más en arrancar, es posible que no funcione tan bien cuando la carga es baja y es posible que la camisa del cilindro no esté bien lubricada. Para mitigar este impacto, varios fabricantes restringen termostáticamente el flujo de agua de refrigeración al intercooler y/o suministran agua de camisa caliente según sea necesario.
La válvula termostática en el circuito evita que el agua en el intercooler se enfríe demasiado, lo que evita que el aire que ingresa al motor también se enfríe demasiado. Cuando el aire está demasiado frío, puede provocar condensación en el motor y que salga humo "blanco" por el tubo de escape.

Más cosas que lo hacen genial
La mayor parte del tiempo, el generador diesel se mantiene en un edificio con pocas aberturas.
Hay varias fuentes de calor en la sala EDG, como el motor y el generador. Para obtener el mejor rendimiento, el equipo de conmutación, los paneles de control, el equipo de monitoreo, el tanque diario de combustible, el(los) compresor(es) de aire y el(los) tanque(s) de almacenamiento de aire en esta área deben mantenerse a una temperatura fría.
La sala de EDG no puede calentarse más de 122 grados F (50 grados). Por lo tanto, es necesario traer suficiente aire fresco (aire ambiental) para eliminar el calor y mantener la temperatura de la habitación por debajo del nivel más alto permitido. Aunque la temperatura ambiente no tiene mucho efecto en el motor en sí, las temperaturas ambiente EDG muy altas pueden tener un efecto en el generador y otras partes. Si el aire para la combustión del motor proviene de la habitación, el aire caliente que ingresa al motor puede reducir su potencia.