Com funciona el sistema de refrigeració d'un generador dièsel?

Com funciona el sistema de refrigeració d'un generador dièsel?

En aquest capítol es parla de les parts més importants dels sistemes de refrigeració del motor dièsel i per què cadascuna és important perquè el motor funcioni bé.

Refrigeració mecànica del motor
El sistema de refrigeració absorbeix entre el 25 i el 30 per cent de tota la calor que prové del combustible i entra al motor.
Si aquesta calor no es desfà, la temperatura interna del motor augmentarà ràpidament fins a un punt en què les peces es trenquen i el motor deixarà de funcionar. Tots els motors dièsel comercials tenen un sistema de refrigeració per recollir aquesta calor i traslladar-la a un medi que absorbeixi la calor fora del motor.
Molts motors moderns tenen sistemes de turbocompressió que asseguren que hi ha prou aire perquè el combustible es cremi i produeixi la potència que es necessita. El mecanisme per a la turboalimentació fa que l'aire de combustió sigui més calent. Abans que l'aire de combustió entri als cilindres del motor, s'ha de refredar per assegurar-se que hi ha prou lliures d'aire per cremar el combustible (per mantenir la densitat de l'aire). Un intercanviador de calor que sembla un radiador es posa a la canonada entre la sortida del compressor del turbocompressor i el col·lector d'aire del motor. Això s'anomena intercooler d'aire o refrigerador posterior. La funció d'aquest radiador és eliminar la calor de l'aire de combustió. Aquest intercanviador de calor pot utilitzar el sistema d'aigua de la jaqueta o el sistema d'aigua de servei per obtenir la seva aigua (el dissipador de calor definitiu).
Quan s'utilitza aigua de servei, pot haver-hi un intercanviador de calor addicional entre el sistema d'aigua de servei i el sistema d'aigua de l'intercooler per netejar i mantenir l'aigua del sistema d'aigua de l'intercooler de manera que no danyi l'intercooler d'aire.

Fonaments del sistema de refrigeració
La majoria dels motors dièsel tenen un sistema de refrigeració que sembla una jaqueta i té un bucle tancat. A mesura que el refrigerant flueix a través del motor, agafa calor de les camisas dels cilindres, culatas i altres peces.

Com més fred estigui el refrigerant quan surt del motor, millor funcionarà el motor. D'altra banda, les temperatures del refrigerant massa altes poden causar danys estructurals deixant que les peces del motor es sobreescalfin. L'oli lubricant també es pot refredar amb aigua de la camisa i un intercanviador de calor. La majoria dels motors dièsel funcionen millor amb una temperatura de descàrrega d'aigua de la jaqueta d'uns 180 °F i un augment de la temperatura a través del motor d'entre 8 i 15 °F.

La majoria dels motors dièsel es refreden amb aigua com a refrigerant. Tot i així, l'aigua per si mateixa pot causar òxid, acumulació de minerals i congelació.
S'ha d'afegir anticongelant, com l'etilenglicol o el propilenglicol, als motors que poden estar a prop o per sota de la congelació. La solució més habitual és barrejar anticongelant i aigua, que funciona a temperatures tan baixes com -40 graus F. L'anticongelant comercial conté productes químics que impedeixen l'oxidació. Afegir anticongelant fa que sigui més difícil que la calor es mogui.
La majoria de les vegades, els motors dièsel utilitzats als reactors nuclears per al servei d'emergència no estan exposats a temperatures de congelació. En aquestes condicions, no hi ha necessitat d'anticongelant. Tot i així, la corrosió es pot aturar barrejant productes químics que frenen la corrosió amb aigua que s'ha despullat dels seus minerals.

Química de l'aigua: l'aigua que s'utilitza per refredar un motor no hauria de tenir cap producte químic que causin dipòsits o cal. La majoria de les vegades s'utilitza aigua desmineralitzada. El pH de l'aigua hauria d'estar entre 8 i 9,5.
El millor és afegir un inhibidor de corrosió com Nalco 2000 per evitar que s'acumuli l'escala a les camisas dels cilindres i les culata. Una setzena part d'una polzada d'escala és el mateix que afegir una polzada d'acer al motor per fer que sigui menys probable que deixi passar la calor. De tant en tant es fa una anàlisi química del refrigerant i s'afegeix la quantitat adequada d'inhibidor de corrosió per mantenir la química de l'aigua correcta.

Com mantenir un motor fresc
En algunes configuracions, l'aigua de l'intercooler i l'aigua de la jaqueta es refreden per diferents parts del radiador. La majoria de les vegades, el circuit d'aigua de la jaqueta s'utilitza per refredar l'oli lubricant en aquestes situacions.
Amb l'ajuda d'un dipòsit d'expansió (també anomenat "cap" o "dipòsit de compensació"), que s'instal·la a sobre del motor per mantenir un capçal al sistema, el refrigerant s'emmagatzema al propi sistema del motor. El motor acciona la bomba, que extreu l'aire del sistema i envia refrigerant al motor. En la majoria dels sistemes, l'aigua surt del motor a través d'una vàlvula que està controlada per un termòstat. Si l'aigua està massa freda, una línia la deixa girar al voltant de l'intercanviador de calor. L'aigua passa per l'intercanviador de calor si està massa calenta.
La vàlvula de control termostàtica (TCV) descobreix com de calent està el refrigerant i hi reacciona.

Tan bon punt la temperatura del refrigerant del motor cau per sota del punt de consigna de la vàlvula, el refrigerant s'envia a través de l'intercanviador de calor d'aigua de la camisa. Quan la temperatura del refrigerant és superior al punt de consigna, la vàlvula envia el refrigerant a través de l'intercanviador de calor. L'excés de calor s'envia després al sistema d'aigua bruta o de servei. Quan s'engega un motor dièsel, el flux d'aigua de servei comença per si mateix.
A través de la sortida de l'intercanviador de calor, o línia de bypass, l'aigua torna a la bomba d'aigua de la camisa i, eventualment, al motor. En molts sistemes, el sistema d'oli de lubricació es refreda mitjançant un intercanviador de calor al sistema d'aigua de la camisa. Per als motors on és important mantenir l'oli lubricant més fresc que l'aigua de la jaqueta, la calor de l'oli s'envia directament al sistema de servei/aigua bruta a través de l'intercanviador de calor del sistema d'oli lubricant.
Quan el refrigerant arriba al bloc de cilindres, flueix a través de canals interns i/o canonades fins a la part inferior de les camisas dels cilindres. A mesura que el líquid puja, flueix al voltant de les camisas dels cilindres i cap a les cuntes dels cilindres. Quan el refrigerant surt de la culata dels cilindres, entra a una capçalera de sortida i després a la vàlvula termostàtica.
En els motors amb intercoolers o postcoolers, part de l'aigua de la jaqueta passa pels intercoolers per agafar calor de la càrrega d'aire entrant que no és necessària. En molts motors amb intercoolers o postcoolers, aquesta calor addicional s'envia al sistema de servei/aigua bruta mitjançant un intercanviador de calor independent. Això és bo perquè l'aigua de l'intercooler s'ha de refredar a una temperatura inferior a l'aigua del sistema d'aigua de la jaqueta. La majoria dels motors ALCO utilitzen el sistema d'aigua de la jaqueta per refredar l'aigua de l'intercooler.

Dipòsit d'expansió: molts motors utilitzen un dipòsit d'expansió amb un tancament a pressió, o el dipòsit d'expansió està muntat prou alt per mantenir la capçalera necessària (cap de pressió positiva neta - NPSH) al sistema. La majoria de les vegades, el dipòsit d'expansió es col·loca just per sobre del punt més alt del sistema d'aigua de refrigeració de la jaqueta i s'utilitzen línies de ventilació per mantenir el sistema lliure d'aire. Alguns tancs d'expansió es poden bombejar per mantenir una pressió més alta, la qual cosa ajuda a augmentar el punt d'ebullició del fluid de refrigeració.

Una canonada vertical és un dipòsit que s'instal·la verticalment i es troba a la mateixa alçada que el motor. Conté el refrigerant del motor i té un espai d'aire per compensar l'expansió del refrigerant quan s'escalfa.
Les canonades verticals solen ser ventilades a l'aire, creant un sistema de refrigeració que no està sota pressió. El nivell d'aigua a la canonada ha de ser prou alt per assolir el NPSH requerit, o el dipòsit ha d'estar pressuritzat.

Bomba d'aigua de la jaqueta: el motor acciona la bomba d'aigua de la jaqueta centrífuga d'una sola etapa, que és accionada pel cigonyal del motor a través d'una sèrie d'engranatges.

Com es veu, l'aigua entra a l'entrada d'aspiració de la bomba. El tren d'engranatges del motor condueix l'engranatge de la bomba, que al seu torn gira l'eix de la bomba i l'impulsor. La velocitat del refrigerant augmenta amb la força centrífuga quan gira l'impulsor. Quan el refrigerant entra a la carcassa de la bomba, la seva velocitat es redueix i la seva pressió augmenta proporcionalment. El refrigerant s'aboca des de la carcassa de la bomba a la capçalera d'aigua de la jaqueta fins a l'extrem inferior de les camisas del cilindre a una pressió més alta.

El refrigerant del motor surt per la part inferior de la vàlvula de control termostàtica. Quan la temperatura del refrigerant és baixa, com es mostra a la part dreta del diagrama, la butxaca de la vàlvula lliscant es manté a la posició amunt i el refrigerant gira al voltant de l'intercanviador de calor.
A mesura que augmenta la temperatura del refrigerant, els pellets de cera dins dels elements de control de temperatura s'expandeixen. Això empeny el tub de l'element i la butxaca de la vàlvula cap avall. Per tant, el flux a través del bypass està limitat o estrangulat, tal com es mostra a la part esquerra del diagrama, i el refrigerant s'envia a l'intercanviador de calor.
En ús, la vàlvula canvia la seva posició en un rang de temperatura d'uns 10 a 150 graus Fahrenheit per mantenir la temperatura del refrigerant força estable.

Intercanviador de calor d'aigua de jaqueta: els intercanviadors de calor d'aigua de jaqueta solen estar fets d'una carcassa i tubs. Al costat de la carcassa, el refrigerant del motor sol fluir sobre els tubs, mentre que l'aigua de servei flueix pels tubs.

Jaqueta Water Keepwarm Systems
Quan un motor s'apaga durant un temps, la temperatura dins del motor baixa molt. L'arrencada ràpida i la càrrega ràpida d'un motor fred, que és típic dels dièsel d'aplicació nuclear en situacions d'emergència, sotmet el motor a molta tensió i el desgasta més ràpidament fins que arriba a la seva temperatura de funcionament normal.
El sistema de manteniment d'aigua de la jaqueta es mostra al mateix pla que el sistema de refrigeració d'aigua estàndard de la jaqueta. Aquesta part manté la temperatura del refrigerant del motor a la temperatura normal de funcionament o prop de la mateixa. Això no vol dir que totes les parts estiguin a la seva temperatura normal.
Com que els motors dièsel utilitzen la calor de la compressió per arrencar, mantenir el motor calent fa que arrenqui molt més ràpid i fa que sigui menys probable que el motor no arrenqui perquè la temperatura de l'aire d'admissió és massa baixa.

Bomba Keepwarm: La bomba Keepwarm és una bomba centrífuga d'una sola etapa que funciona amb electricitat. És similar a la bomba accionada pel motor, ja que manté el refrigerant escalfat en moviment pel motor fins i tot quan el motor està apagat.

Escalfador calent: l'escalfador calent de la jaqueta és un escalfador elèctric d'estil d'immersió, igual que l'escalfador d'oli lubricant.
Es posa en un tub vertical o dipòsit de calefacció independent. Està controlat per un termòstat per mantenir el motor a la temperatura adequada.

Com funciona el sistema: quan el motor està en mode d'espera, el sistema de manteniment s'activa. La bomba de mantenir calent crea un buit al sistema i envia aigua a l'entrada d'aigua de la camisa del motor. Quan el motor està en marxa, es poden posar vàlvules de retenció al sistema de manteniment calent per aturar el flux en la direcció incorrecta. El refrigerant escalfat flueix pel motor, escalfant els cilindres, culatas i altres parts que es refreden amb aigua.

Sistema de refrigeració d'aigua
El sistema d'aigua intercooler dóna aigua a l'intercooler o postcooler, que s'instal·la a les canonades d'admissió d'aire de combustió del motor. És un intercanviador de calor com un radiador que refreda l'aire de combustió després del compressor del turbocompressor i abans del col·lector/plenum d'aire del motor.
El refredament fa que l'aire sigui més dens, la qual cosa permet que més oxigen cremi més combustible i produeixi més energia. A més, l'aire de combustió refreda les corones dels pistons.
L'aigua que s'utilitza per a l'interrefrigeració normalment ha d'estar força propera a la temperatura de l'aire circumdant. Per aquest motiu, normalment és millor utilitzar aigua de servei en comptes de l'aigua de la jaqueta, que té una temperatura molt més alta (160 a 180oF).
Un diagrama típic del sistema d'aigua d'intercooler i postcooler
Com que aquestes peces són les mateixes que les que s'utilitzen en el sistema d'aigua de la jaqueta, no en parlarem més.
En alguns sistemes d'aigua d'intercooler, es pot utilitzar un termòstat per evitar que l'aigua de l'intercooler es refredi massa, especialment quan fa fred o quan el motor no treballa gaire. Això evita al màxim que la humitat es condense a l'aire de combustió. En alguns sistemes, el sistema d'aigua de la jaqueta i el sistema d'aigua de l'intercooler estan connectats perquè l'intercooler es pugui escalfar quan calgui.
Si l'aire de combustió que entra al motor és massa fred, és possible que el motor trigui més a arrencar, que no funcioni tan bé quan la càrrega és baixa i que la camisa del cilindre no estigui tan ben lubricada. Per mitigar aquest impacte, diversos fabricants restringeixen termostàticament el flux d'aigua de refrigeració a l'intercooler i/o subministren aigua calenta de la jaqueta segons sigui necessari.
La vàlvula termostàtica del circuit evita que l'aigua de l'intercooler es refredi massa, la qual cosa evita que l'aire que entra al motor també es refredi massa. Quan l'aire és massa fred, pot provocar condensació al motor i fum "blanc" per sortir del tub d'escapament.

Més coses que ho fan genial
La majoria de les vegades, el generador dièsel es guarda en un edifici amb poques obertures.
Hi ha diverses fonts de calor a la sala EDG, com ara el motor i el generador. Per obtenir el millor rendiment, l'aparell de comandament, els panells de control, l'equip de control, el dipòsit de combustible del dia, els compressors d'aire i els dipòsits d'emmagatzematge d'aire d'aquesta zona s'han de mantenir a una temperatura freda.
L'habitació EDG no pot arribar a una temperatura superior a 122 graus F (50 graus). Per tant, cal introduir prou aire fresc (aire ambient) per desfer-se de la calor i mantenir la temperatura de l'habitació per sota del nivell més alt que es permet. Tot i que la temperatura ambient no té un gran efecte sobre el propi motor, les temperatures ambient EDG molt altes poden tenir un efecte sobre el generador i altres peces. Si l'aire per a la combustió del motor prové de l'habitació, l'aire calent que entra al motor pot fer-lo menys potent.