Enfriamiento del Motor

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1 Enfriamiento del Motor Los motores enfriados por líquido son enfriados al bombear una mezcla de refrigerante a través de pasajes en el bloque del motor y la(s) cabeza(s) por medio de una bomba impulsada por el motor. La configuración más común de generado r tiene un radiador y un ventilador impulsado por el motor para enfriar el refrigerante y ventilar el cuarto del generador. Los métodos alternativos para enfriar el refrigerante incluyen intercambiadores de calor líquido-líquido montados en el patín, radiador remoto, un intercambiador de calor líquidolíquido remoto y configuraciones de torre de enfriamiento. Los sistemas de enfriamiento para los generadores impulsados por motores reciprocantes tienen las siguientes características comunes, independientem ente del intercambiador de calor usado para remover el calor del motor. Estas incluyen: Generadores Enfriados por Líquido - Manual de Aplicación detalles de requerimientos 8. Vea la Figura 6-14 para una representación esquemática de las líneas de enfriamiento y ventilación de un motor típico. Se usa un termostato en el motor para permitir que el motor se caliente y para regular la temperatura del motor en el lado caliente del sistema de enfriamiento. El diseño del sistema de enfriamiento debe tener en cuenta la expans ión del volumen del refrigerante al incrementarse la temperatura del motor. Se requiere provisión de expansión de refrigerante de 6% sobre el volumen normal. El sistema debe estar diseñado para siempre haya un tanto positivo en la bomba de refrigerante del motor. Los flujos apropiados para el enfriamiento dependen de minimizar la estática y la fricción en la bomba de refrigerante. El generador no se enfriará apropiadamente si se exceden las limitaciones de estática y fricción de la bomba de refrigerante. Consulte al fabricante del motor para la información acerca de estos factores en el generador seleccionado. Vea Cálculos del Tamaño de la Tubería de Enfriamiento en esta sección para las instrucciones específicas en la definición de los tamaños de la tubería de refrigerante y el cálculo de la estática y fricción. Los sistemas de enfriamiento deben estar provistos con un drenado y aislamiento para permitir el servicio y reparación del motor. Vea los dibujos de ejemplo para la ubicación de drenados y válvulas típicamente usadas en diferentes aplicaciones. La porción del motor del sistema de enfriamiento es un sistema cerrado, presurizado (10 14 psi/ kpa) que se llena con una mezcla de agua suave (desmineralizad a) limpia, glicol etileno o propileno y otros aditivos. Los motores no deben ser enfriados directamente por agua sin tratar, puesto que esto causará corrosión en el motor y enfriado potencialmente incorrecto. El lado frío del sistema de enfriamiento se puede servir de un radiador, intercambiador de calor o torre de enfriamiento. El sistema de enfriamiento del motor debe Radiador Montado en el Patín ser del tamaño apropiado para el ambiente y los componentes seleccionados. Un generador con radiador montado en el patín, Típicamente, la temperatura del tanque (Figura 6-15) es un sistema integral de superior del sistema (temperatura a la ventilación y enfriamiento montado en el patín. entrada del motor) no excederá 200 F Se considera que un sistema de enfriamiento (104 C) para aplicaciones de emergencia y montado en el patín, es el sistema de 200 F (93 C) para instalaciones de potencia enfriamiento más confiable y económico para primaria. generadores porque requiere la menor cantidad El sistema de enfriamiento debe incluir deaereación y ventilación para prevenir el de equipo auxiliar, tubería, cableado de control, refrigerante y minimiza el trabajo que se tiene formado de aire en el motor debido al flujo que hacer en el sitio en el sistema de turbulento del refrigerante, y permitir el refrigerante. El ventilador del radiador es llenado apropiado del sistema de generalmente impulsado mecánicamente por el enfriamiento. Esto significa que, además de motor, simplificando el diseño. Los ventiladores las conexiones principales de entrada y eléctricos se usan en algunas aplicaciones para salida de refrigerante, probablemente deba permitir un control más conveniente, basándose haber cuando menos un juego de líneas de en la temperatura del refrigerante. Esto es ventilación en lo alto del sistema de particularmente útil en climas severamente fríos. enfriamiento. Consulte las recomendaciones del fabricante del motor en uso para los 8 Los requerimientos para el ventilado y de-aereación de los motores Cummins se encuentran en los documentos Cummins AEB. 6 DISEÑO MECANICO Cummins Power Generation. Las copias no son controladas.

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3 Puesto que el fabricante del motor generalmente diseña sistemas montados en el patín, el sistema se puede probar para verificar el desempeño del mismo en un ambiente de laboratorio. Un ambiente de laboratorio controlado e instrumentado es útil en la verificación del desempeño del sistema de enfriamiento. A menudo, las limitaciones físicas en el sito del proyecto pueden limitar la precisión o lo práctico de las pruebas de verificación del diseño. La mayor desventaja del radiador montado en el patín es el requerimiento de mover un volumen relativamente grande de aire a través del cuarto del generador, puesto que el flujo de aire a través del cuarto debe ser suficiente para evacuar el calor radiado por el motor y para remover el calor del refrigerante del motor. Vea Ventilación en esta sección para detalles de diseño de ventilación y cálculos relacionados al sistema de ventilación. El ventilador del motor a menudo proporcionará suficiente ventilación para el cuarto de equipo, eliminando la necesidad de otros dispositivos y sistemas. Radiador Remoto Los sistemas de radiador remoto se usan a menudo cuando no se puede proveer de suficiente aire de ventilación para el sistema de enfriamiento montado en el patín. Los radiadores remotos no eliminan la necesidad de ventilación para el cuarto del generador, pero si la reducen. Si se requiere un sistema de enfriamiento de radiador remoto, el primer paso es determinar qué tipo de sistema remoto se requiere. Esto se determinara por el cálculo de de la estática y fricción que se aplicará al motor basado en su ubicación física. Si los cálculos revelan que el generador seleccionado para la aplicación se puede conectar a un radiador remoto sin exceder sus limitaciones de estática y fricción, se puede usar un radiador remoto simple. Ver Figura Si se excede la fricción, pero la estática no, se puede usar un sistema de radiador remoto con una bomba auxiliar de refrigerante. Vea la Figura 6-14 y Radiador Remoto con Bomba Auxiliar de Refrigerante en esta sección. Si se exceden las limitaciones de estática y fricción del motor, se necesita un sistema aislado de enfriamiento para el motor. Esto puede incluir un radiador remoto con un pozo caliente, o un sistema basado en un intercambiador de calor líquido-líquido. Cual sea el sistema que se use, la aplicación de un radiador remoto para enfriar el motor requiere un cuidadoso diseño. En general todas las recomendaciones para radiadores montados en el patín aplican para los radiadores remotos también. Para cualquier tipo de sistema de radiador remoto considere lo siguiente: Se recomienda que el radiador y ventilador sean de un tamaño basado en una temperatura máxima de tanque superior de 200 F (93 C) y una capacidad de enfriamiento de 115% para permitir la suciedad. La temperatura mas baja del tanque superior compensa la pérdida de calor de la salida del motor al tanque superior del radiador remoto. Consulte al fabricante del motor para información en el calor rechazado al refrigerante por el motor y los rangos de flujo de enfriamiento 9. El tanque superior del radiador o un tanque auxiliar se deben ubicar en el punto más alto del sistema de enfriamiento. Debe estar equipado con: una tapa de llenado/presión apropiada, una línea de llenado al punto mas bajo del sistema (para que el sistema se pueda llenar de abajo hacia arriba), y una línea de ventilación del motor que no tenga puntos bajos o trampas (los puntos bajos y los loops por arriba pueden almacenar refrigerante y no permitir que el aire escape cuando se esta llenando el sistema. Los medios para llenar el sistema también deben estar en la parte más alta del mismo, y la alarma de nivel bajo de refrigerante se debe instalar ahí. La capacidad del tanque superior del radiador o el tanque auxiliar deben ser equivalentes a cuando menos 17% del volumen de refrigerante en el sistema para dar una capacidad de merma (11%) y espacio para expansión térmica (6%). La capacidad de merma es el volumen de refrigerante que se puede perder por fallas no detectadas en el sistema y el soltado normal del tapón de presión antes de que se succione aire a la bomba de refrigerante. El espacio para expansión térmica se crea por el cuello de llenado cuando se está llenando un sistema frío. Ver Figura La información de los productos de Cummins Power Generation se suministra en Cummins Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 95

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5 Para reducir el tupido de las aletas del radiador, para climas muy sucios se deben considerar radiadores que tengan mayor espacio entre aletas (9 o menos por pulg). La fricción externa de refrigerante (pérdida de presión debido a tubería, conexiones, y fricción de radiador) y la estática de refrigerante (altura de la columna de líquido medida desde la línea central del cigüeñal) no deben exceder los limites máximos recomendados por el fabricante del motor 10. Vea los ejemplos de cálculos en esta sección para el método de calcular la fricción del refrigerante. Si no se puede encontrar una configuración de sistema que permita que el motor opere dentro de los límites de estática y fricción, se debe usar otro método de enfriamiento. NOTA: La excesiva estática de refrigerante (presión) puede causar que el sello del eje de la bomba de refrigerante fugue. La excesiva fricción de refrigerante (pérdida de presión) resultará en enfriado insuficiente del motor. Se debe usar manguera de radiador de 6-8 pulg ( mm) de largo, que cumpla con SAE20R1 o de un estándar equivalente, para conectar la tubería de refrigerante al motor para absorber la vibración y el movimiento del motor. Se recomienda ampliamente que las mangueras del radiador estén sujetas con 2 abrazaderas de presión constante de primera calidad en cada lado para reducir el riesgo de presión repentina de refrigerante debido a la desconexión de una manguera bajo presión. Se puede generar un daño mayor si el motor se hace funcionar sin refrigerante en el bloque por solo unos cuantos segundos. Se debe instalar una válvula de drenado en la parte más baja del sistema. Se recomiendan válvulas de bola o de compuerta (las de globo son muy restrictivas) para aislar el motor para que no se tenga que vaciar todo el sistema para dar servicio al motor. Recuerde que el generador debe impulsar los accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kw ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Recuerde agregar estas cargas eléctricas al requerimiento total de carga del generador. Vea las Guías Generales de Ventilación y Aplicaciones Remotas de Intercambiador de Calor y Radiador, ambas en esta sección, para lo relacionado a la ventilación del cuarto cuando se usa enfriamiento remoto. Sistema de Radiador Remoto de tipo De- Aereación Se debe proveer un tanque superior de radiador o tanque auxiliar de tipo de de-aereación (también llamado tanque superior sellado). En este sistema una porción del flujo de refrigerante (aproximadamente 5%) es dirigido ala tan que superior del radiador, sobre la placa superior. Esto permite que el aire atrapado en el refrigerante se separe de este antes que regrese al sistema. Considere lo siguiente: Las líneas de ventilación del radiador y motor deben subir sin ningún punto bajo o trampas que atrapen refrigerante y prevengan que el aire escape cuando el sistema se esté llenando. Se recomienda tubo de acero o poliestireno rígido para tramos largos, especialmente si son horizontales, para eliminar las caídas entre los soportes. La línea de llenado debe también subir sin puntos bajos desde la parte más baja del sistema de tubería hasta la conexión en el tanque superior del radiador o el tanque auxiliar. No debe tener ningún otro tubo conectado. Este arreglo permite que e sistema se llene de abajo hacia arriba sin atrapar aire y dar la falsa indicación de que el sistema está lleno. Con las conexiones de ventilación y llenado apropiadas, debe ser posible llenar el sistema un rango de 5 gpm (19 l/min) (el rango aproximado de flujo de una manguera de jardín). Radiador Remoto con Bomba Auxiliar de Refrigerante Se puede usar un radiador remoto con una bomba auxiliar de refrigerante (Figura 6-17) si la fricción del refrigerante excede el valor máximo recomendado por el fabricante, y la estática está dentro de especificación. Además de las consideraciones de Radiadores Remotos, considere lo siguiente: 10 Los datos para motores Cummins están en Power Suite 6 DISEÑO MECANICO 97

6 Se debe tener una bomba de refrigerante de tamaño correcto para el flujo de refrigerante recomendado por el fabricante del motor que desarrolle la suficiente presión para sobreponerse a la excesiva fricción del refrigerante calculada por el método mostrado en el ejemplo anterior. NOTA: Un pie de cabeza de bomba (datos del fabricante de la bomba) es equivalente a 0.43 PSI de fricción de refrigerante (perdida de presión) o a un pie de estática de refrigerante (columna de altura de líquido). Se debe instalar una válvula de sobrepaso de com puerta (las de globo son muy restrictivas) en paralelo con la bomba auxiliar, por las siguientes razones: -para permitir el ajuste de la cabeza desarrollada por la bomba auxiliar (la 6 DISEÑO MECANICO 98

7 válvula se abre parcialmente para recircular algo del flujo de regreso a través de la bomba). -para permitir la operación del generador bajo carga parcial si la bomba auxiliar falla (la válvula se abre totalmente). La presión del refrigerante en la entrada de la bomba de refrigerante del motor, medida mientras el motor esta funcionando a velocidad de rango no debe exceder la estática máxima permitida mostrada en las hojas de especificación del generador. También, para sistema de enfriamiento de tipo de deaereación (generadores de 230/200 kw y mas), la cabeza de la bomba auxiliar no debe forzar refrigerante por la línea hacia el tanque superior del radiador o tanque auxiliar. En cualquier caso, la válvula de sobrepaso de la bomba debe ajustarse para reducir la cabeza de la bomba a un nivel aceptable. Puesto que el motor del generador no tiene que mover un ventilador para el radiador, talvez haya capacidad kw adicional en el generador. Para obtener la potencia neta disponible del generador, sume la carga de generador indicada en la hoja de datos del generador al rango de potencia del generador. Recuerde que el generador debe impulsar los accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kw ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Radiador Remoto con Pozo Caliente Se puede usar un radiador remoto con un pozo caliente (Figura 6-18) si la elevación del radiador sobre la línea central del cigüeñal excede la estática de refrigerante permitida recomendada en las hojas de especificación del generador. En un sistema de pozo caliente, la bomba de refrigerante del motor circula el refrigerante entre el motor y el pozo caliente y una bomba auxiliar circula el refrigerante entre el pozo y el radiador. Un sistema de pozo caliente requiere de cuidadoso diseño. Además de las consideraciones de Radiador Remoto, considere lo siguiente: El fondo del pozo caliente debe estar sobre la salida de refrigerante del motor. El flujo de refrigerante a través del circuito de pozo/radiador debe ser aproximadamente el mismo que el flujo en el motor. El radiador y la bomba auxiliar deben tener el tamaño correcto para esto. La cabeza de la bomba debe ser lo suficiente para sobreponerse al la suma de la estática y fricción del circuito pozo/radiador. NOTA: Un pie de cabeza de bomba (datos del fabricante de la bomba) es equivalente a 0.43 PSI de fricción de refrigerante (perdida de presión) o a un pie de estática de refrigerante (columna de altura de líquido). La capacidad de contención de líquido del pozo caliente no debe ser menor que la suma de los siguientes volúmenes: del volumen de refrigerante bombeado por minuto a través del motor (por ejemplo, 25 galones si el flujo es de 100 gpm) (100 litros si el flujo es de 400 l/min), mas 0.25 del volumen de refrigerante bombeado por minuto a través del radiador (por ejemplo, 25 galones si el flujo es de 100 gpm) (100 litros si el flujo es de 400 l/min), mas -el volumen requerido para llenar el radiador y la tubería, mas 5% del total del volumen del sistema para expansión térmica. Se requiere cuidadoso diseño de las conexiones de entrada y salida y de las barreras para minimizar la turbulencia del refrigerante, permitir la libre de-aereación y maximizar el mezclado de los flujos de refrigerante del radiador y motor. El refrigerante debe ser bombeado al tanque inferior del radiador y retornado del tanque superior, de otra forma la bomba no podrá llenar el radiador completamente. La bomba auxiliar debe estar más abajo que el nivel bajo de refrigerante en el pozo caliente para que siempre esté purgada. El radiador debe tener una válvula check de alivio de vacío para permitir la caída al pozo caliente. El pozo caliente debe tener un tapón de respiración de alto volumen para que permita que el nivel de refrigerante baje al llenarse la tubería y el radiador con la bomba auxiliar. 6 DISEÑO MECANICO 99

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9 Recuerde que el generador debe impulsar los accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kw ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Recuerde agregar estas cargas eléctricas al requerimiento total de carga del generador. Enfriado de Motor Multi-circuito, Multi- Radiadores Algunos diseños incorporan más de un circuito de enfriamiento y por lo tanto requieren de más de un circuito de radiador remoto o intercambiador de calor para las aplicaciones de enfriamiento remoto. Estos motores utilizan diferentes métodos para lograr el Postenfriamiento de Baja Temperatura (LTA) del aire de admisión para la combustión. La razón primaria para la creación de estos diseños es su efecto en la mejoría de los niveles de emisiones de escape. No todos los diseños de motor se adaptan fácilmente al enfriado remoto. Dos Bombas Dos Circuitos: Un método común para el post-enfriado de baja temperatura es tener dos circuitos separados completos con dos radiadores, dos bombas y refrigerante separado para cada uno. Uno de los circuitos enfría el bloque del motor y el otro enfría el aire de admisión de combustión después del turbocargador. Para enfriado remoto, estos motores requieren dos radiadores remotos separados o intercambiadores de calor completos. Cada uno tendrá sus propias especificaciones de temperatura, restricciones de presión, rechazo de calor etc., las cuales deben cumplirse. Esta información esta disponible con el fabricante del motor. Esencialmente se debe diseñar dos circuitos. Cada uno requiere y debe cumplir todas las consideraciones y criterios de un sistema remoto sencillo. Vea la Figura Nota: La ubicación del radiador para el circuito de LTA puede ser crítico para lograr una adecuada remoción de energía calorífica en este circuito. Cuando los radiadores de bloque de motor y de LTA se montan uno detrás de otro, el radiador de LTA debe ser montado de forma que reciba el aire del ventilador primero, para que recib a el aire más frío. baja temperatura por medio de dos circuitos dentro del motor, dos radiadores pero solo una bomba de refrigerante. No se recomiendan estos sistemas para aplicaciones de enfriamiento remoto debido a las dificultades para lograr flujos balanceados de refrigerante y por lo tanto enfriamiento apropiado para cada sistema. Post-enfriamiento Aire-Aire: Otro método para lograr el post-enfriamiento de baj a temperatura es el uso de un circuito de enfriamiento de radiador aire-aire en lugar de un diseño aire-agua como se describe anteriormente. Estos diseños conducen el aire turbocargado a través de un radiador para enfriarlo antes de entrar al múltiple de admisión. Estos sistemas no se recomiendan para aplicaciones de enfriamiento remoto por dos razones. La primera es que el sistema de enfriamiento y su tubería operan bajo la presión del turbocargador. La menor fuga en el sistema reducirá significativamente la eficiencia del turbocargador y eso es inaceptable. Segundo, la longitud del tubo de aire al radiador y de regreso creará un retardo en el tiempo de respuesta del turbocargador y pulsos de presión que impedirán el desempeño apropiado del motor. Radiadores Para Aplicaciones Remotas Radiadores Remotos: Los radiadores remotos están disponibles en una variedad de configuraciones para aplicaciones de generador. En todos los casos, el radiador remoto utiliza un ventilador eléctrico que debe conectarse directamente a las terminales del generador. Se debe instalar un tanque de sobreflujo en el punto más alto del sistema de enfriamiento. La capacidad del tanque de sobreflujo debe ser de cuando menos 5% de la capacidad total del sistema de enfriamiento. El tapón de presión se selecciona en base al tamaño del radiador. Se necesitan líneas de ventilación que conduzcan al tanque de sobreflujo. Es deseable tener una mirilla de vidrio para mostrar el nivel de refrigerante en el sistema, Debe estar marcada con el nivel normal caliente y frío. Una característica deseable es un interruptor de nivel bajo de refrigerante para indicar una potencial falla del sistema cuando el nivel de refrigerante es bajo. Algunas instalaciones remotas operan con ventiladores termostaticamente controlados. Si este es el caso, el termostato generalmente se monta en la entrada del radiador. Una Bomba Dos Circuitos: Ocasionalmente los diseños de motor logran el post-enfriamiento de 6 DISEÑO MECANICO 101

10 Los radiadores pueden ser horizontales (el cuerpo del radiador es paralelo a la superficie de montaje) o verticales (el cuerpo del radiador es perpendicular a la superficie de montaje) (Figura 6-19). Los radiadores horizontales se seleccionan a menudo porque permiten que la fuente mas grande de ruido (el ruido mecánico del ventilador) apunte hacia arriba donde probablemente no moleste a nadie. Sin embargo, los radiadores horizontales pueden ser inhabilitados por nieve o formación de hielo y no se usan mucho en climas fríos. Los radiadores remotos requieren poco mantenimiento, pero cuando se usan, si son impulsados por bandas, el mantenimiento anual debe incluir la inspección y re-tensado de las bandas. Algunos radiadores usan baleros engrasables que requieren de mantenimiento regular. Asegúrese de que las aletas estén limpias y no estén obstruidas por polvo y otros contam inantes. Intercambiador de Calor Montado en el Patín: El motor, bomba e intercambiador de calor liquidoliquido, forman un sistema presurizado cerrado (Figura 6-20). El refrigerante del motor y agua cruda de enfriamiento (el lado frío del sistema) no se mezclan. Considere lo siguiente: El cuarto del equipo generador requerirá un sistema de ventilación eléctrico. Vea Ventilación en esta sección para información sobre el volumen de aire requerido para una ventilación adecuada. Puesto que el motor del generador no tiene que mover un ventilador para el radiador, talvez haya capacidad kw adicional en el generador. Para obtener la potencia neta disponible del generador, sume la carga de generador indicada en la hoja de datos del generador al rango de potencia del generador. Recuerde que el generador debe impulsar los 6 DISEÑO MECANICO 102

11 accesorios eléctricos tales como el ventilador remoto, ventiladores de cuarto, bombas de refrigerante y otros requeridos para la operación en aplicaciones de enfriamiento remoto. Así que la capacidad kw ganada por no impulsar el ventilador mecánico es generalmente consumida por la adición de los dispositivos eléctricos necesarios en el sistema remoto. Se debe instalar una válvula de reducción de presión si la presión de agua en el lado frío del sistema excede el rango de presión del intercambiador de calor. Consulte al fabricante del intercambiador para más información 11. El intercambiador de calor y tubería de agua deben ser protegidos de la congelación si la temperatura ambiente puede caer por debajo de 32 F (0 C). Las opciones recomendadas incluyen una válvula termostática (no eléctrica) para modular el flujo de agua en respuesta a la temperatura del refrigerante y una válvula de apagado normalmente cerrada (NC) operada por batería para cerrar el agua cuando el generador no está funcionando. Debe haber suficiente flujo de agua cruda para eliminar el Calor rechazado al Refrigerante indicado en la hoja de especificaciones del generador. Note que para cada grado de incremento en la temperatura, un galón de agua absorbe aproximadamente 8 BTU (calor específico). También se recomienda que el agua cruda que sale el intercambiador de calor no exceda los 140 F (60 C). Por lo tanto: 11 Los datos para los intercambiadores de calor suministrados con productos Cummins Power Generation se encuentran en Cummins Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 103

12 Donde: T = Elevación de temperatura del agua en el cuerpo c = Calor especifico del agua Si un generador rechaza 19,200 BTU por minuto y la temperatura de agua de la entrada es 80 F, permitiendo un incremento en la temperatura de 60 F: Sistemas de Intercambiador de Calor Doble: Los sistemas de enfriamiento de intercambiador de calor doble (Figura 6-21) pueden ser difíciles de diseñar e implementar especialmente si un sistema secundario de enfriamiento, como un radiador es usado para enfriar el intercambiador de calor. En estas situaciones el dispositivo remoto podría ser significativamente mas grande de lo esperado, puesto que el cambio de temperatura a través del intercambiador de calor es relativamente pequeño. Estos sistemas deben 6 DISEÑO MECANICO 104

13 diseñarse para una aplicación en específico, considerando los requerimientos del motor, intercambiador de calor líquido-liquido y el dispositivo intercambiador remoto 12. Aplicaciones de Torre de Enfriamiento: Los sistemas de torre de enfriamiento pueden usarse en aplicaciones donde la temperatura ambiente no cae por debajo de la congelación, y donde la humedad es lo suficientemente baja para permitir el funcionamiento eficiente del sistema. Un arreglo típico de equipo se muestra en la Figura Los sistemas de torre típicamente utilizan un intercambiador montado en el patín cuyo lado frío esta conectado a la torre de enfriamiento. El balance del sistema está compuesto por una bomba de agua cruda (la bomba del motor circula refrigerante por el lado caliente del sistema) la cual bombea el agua de enfriamiento a la parte superior de la torre de enfriamiento, donde se enfría por evapo ración, y luego es regresada al intercambiador del generador. Note que el sistema requiere provisiones para compensar por el agua perdida, puesto que la evaporación continuamente reducirá el agua en el sistema. El lado caliente del sistema de intercambiador de calor es similar al descrito antes como intercambiador de calor montado al patín. Enfriado de Combustible con Radiadores Remotos Los generadores ocasionalmente incluyen enfriadores de combustible para cumplir los req uerimientos para motores específicos. Si se equipa un motor con un enfriador de combustible separado, estos requerimientos de enfriamiento deben ser acomodados en el diseño del sistema de enfriamiento. A menudo no es posible, y además es contra la ley el bombear combustible a una ubicación remota. Un método sería incluir un radiador y ventilador para el enfriado de combustible en el espacio del generador y dar cuentas del rechazo de calor en el diseño de ventilación del cuarto. Otro podría ser utilizar un sistema de enfriamiento de combustible del tipo de intercambiador de calor o una fuente de agua separada para el lado del refrigerante. 12 Los intercambiadores de calor montados en patín suministrados por Cummins Power Generation generalmente no son apropiados para usarse en aplicaciones de doble intercambiador. Los arreglos de doble intercambiador requieren componentes cuidadosamente empatados. 6 DISEÑO MECANICO 105

14 Cálculos de Tamaño de Tubería de Enfriamiento El diseño preliminar de la tubería para un sistema de enfriamiento de radiador remoto mostrado en la Figura 6-16 requiere de 60 pies de tubo de 3 pulg. De diámetro, 3 codos de radio amplio, dos válvulas de compuerta para aislar el radiador para dar servicio al motor y una T para conectar la línea de llenado. La hoja de especificaciones del generador indica que el flujo de refrigerante es de 123 GPM y que la fricción permisible es 5 PSI. Este procedimiento involucra determinar la pérdida de presión causada por cada elemento, y comparar la suma de las pérdidas con la máxima permisible. 1. Determine la pérdida de presión en el radiador consultando los datos del fabricante. Para este ejemplo, asuma que la pérdida de presión es de 1 psi a un flujo de 135 gpm. 2. Encuentre las longitudes equivalentes de todas las piezas de tubería y válvulas usando la Tabla 6-3 y súmelas al total del tubo recto. Tres codos de radio amplio-3 x 5.2=15.6 Dos válvulas de compuerta-2 x 1.7= 3.4 T (por el lado recto) = pies de tubo recto =60.0 Longitud Virtual de tubo (pies) Encuentre la retropresión del flujo dado por unidad de longitud de tubo para el diámetro nominal del tubo usado en el sistema. En este ejemplo, se usa tubo de 3 pulg nominales. Siguiend o las líneas punteadas en la Figura 6-23, el tubo de 3 pulg causa una pérdida de presión de aproximadamente 1.65 psi por 100 pies de tubo. 4. Calcule la presión en el tubo como sigue: 5. La pérdida total del sistema es la suma de las perdidas del radiador y de la tubería: Pérdida Total de Presión = 1.39 psi de tubería psi de radiador = 2.39 psi 6 DISEÑO MECANICO 106

15 6. El cálculo para este ejemplo indica que el diseño para el sistema de enfriamiento con radiador remoto es adecuado en términos de fricción de refrigerante puesto que no es más alta que la fricción permitida. Si un cálculo indica fricción excesiva, repita el cálculo usando el tubo de diámetro mayor inmediato siguiente. Compare las ventajas y desventajas de usar un tubo mas grande con las de usar una bomba auxiliar. Tratamiento del Refrigerante: El anticongelante (etileno o propileno con base glicol) y el agua se mezclan para bajar el punto de congelamiento y elevar el punto de ebullición del sistema de enfriamiento. Consulte la Tabla 6-4 para determinar la concentración de etileno o propileno glicol para la protección contra la temperatura ambiente mas fría esperada. Se recomiendan porcentajes de mezcla de agua y anticongelante en los rangos de 30/70 a 60/40 para la mayoría de las aplicaciones. NOTA: El anticongelante basado en propileno glicol es menos tóxico que el anticongelante basado en etileno, ofrece superior protección interna y elimina los req uerimientos de derrames y desechos. Sin embargo, no es un refrigerante tan eficiente como el etileno glicol, así que la capacidad del sistema de enfriamiento (temperatura máxima de operación a plena carga) disminuirá de alguna forma por el uso de propileno glicol. 6 DISEÑO MECANICO 107

16 Los generadores de Cummins Power Generation de 125/100kW y mas grandes, están equipados con filtros de refrigerante reemplazables y elementos tratantes para minimizar la suciedad en el sistema y la corrosión. Son compatibles con la mayoría de las fórmulas anticongelantes. Para generadores más pequeños, el anticongelante debe tener un inhibidor de corrosión. Los generadores con motores que tienen camisas de cilindros reemplazables requieren aditivos extras en el refrigerante (SCAs) para protegerlos contra la corrosión y el perforado de las camisas, como se especifica en los manuales de operador del generador. Ventilación Generalidades La ventilación del curto del generador es necesaria para eliminar el calor generado por el motor, alternador y otros equipos generadores de calor en el cuarto del generador, así como para eliminar gases peligrosos y proveer de aire para la combustión. El mal diseño de la ventilación crea altas temperaturas ambiente alrededor del gen erador que pueden causar baja eficiencia de combustible, pobre desempeño del generador, falla prematura de los componentes y sobrecalentamiento del motor. También resulta en pobres condiciones de trabajo alrededor del motor. La selección de las ubicaciones de ventilación de entrada y escape es crítica para el funcionamiento correcto del sistema. Idealmente, la entrada y el escape permiten que el aire de ventilación sea circulado a través del cuarto completo del generador. Los efectos de los vientos dominantes deben tomarse en consideración cuando se determine la ubicación de la salida del aire. Estos efectos pueden degradar seriamente el desempeño del desempeño de generadores con radiador montado en el patín. Si hay alguna duda en cuanto a la velocidad del viento y su dirección, se pueden usar paredes de bloqueo para prevenir que el viento sople hacia adentro de la salida de aire del motor. (Ver Figura 6-24). Se debe tener cuidad de evitar que la salida de aire de ventilación llegue e una región de recircul ación de un edificio que se forme debido a la dirección dominante del viento. 6 DISEÑO MECANICO 108

17 El aire de ventilación contaminado con polvo, fibras u otros materiales puede requerir filtros especiales en el motor y alternador para permitir la operación y enfriamiento adecuados, en especial en operaciones de potencia primaria. Consulte a la fábrica para la información en el uso de generadores en ambientes que incluyen contaminación química. Los sistemas de ventilación del motor pueden expeler aire cargado de aceite al cuarto del generador. El aceite se puede depositar en los radiadores u otro equipo de ventilación impidiendo su operación. El uso de trampas de ventilación de motor, o el ventilar el motor a la parte exterior es la mejor práctica. Se debe poner atención a la velocidad del aire que entra al cuarto del ventilador. Si esta es muy alta, los generadores tienden a succionar lluvia y nieve hacia adentro del cuarto cuando cuando están funcionando. Una buena meta de diseño es limitar la velocidad del aire a f/min ( m/min). En climas fríos el aire del radiador se puede recircular para modular la temperatura ambiente del cuarto del generador. Esto ayudará al generador a calentarse más rápido, y ayudará a mantener las temperaturas del combustible por arriba del punto de nubosidad. Si se usan amortiguadores de recirculación, se deben diseñar para cerrarse por gravedad cuando los amortiguadores principales están abiertos, para que el generador pueda operar cuando se le requiera. Los diseñadores deben darse cuanta de que la temperatura de operación del cuarto de generador será muy cercana a la temperatura exterior, y talvez sea mejor no conducir tubería de agua por el cuarto del generador o protegerla de la congelación. 6 DISEÑO MECANICO 109

18 Al circular el aire de ventilación por el cuarto de equipo, incrementa su temperatura gradualmente, particularmente si se mueve sobre el generador. Vea Figura Esto puede llevar a la confusión en los rangos de temperatura del generador y de todo el sistema. La práctica de Cummins Power Generation es dar rango al sistema de enfriamiento basado en la temperatura ambiente alrededor del alter nador. El incremento en la temperatura del cuarto es la diferencia entre la temperatura medida en el alternador y la medida en el exterior. La temperatura del cuerpo del radiador no impacta el diseño del sistema porque el calor del radiador se mueve directamente fuera del cuarto. Una buena meta de diseño para aplicaciones de emergencia es mantener la temperatura del cuarto a no más de 125 F (50 C). Sin embargo, limitar la temperatura del cuarto del generador a 100 F (40 C) permitirá que el generador sea suministrado con un radiador montado en el patín de tamaño más pequeño y menos costoso, y eliminará la necesidad de derrateo debido a las altas temperaturas de aire de combustión 13. Asegúrese de que las especificaciones del generador describan completamente las suposiciones usadas en el diseño del sistema de ventilación para el generador. La pregunta real entonces es: Cuál será la temperatura máxima de afuera cuando se necesite que opere el generador? Esta es simplemente una cuestión de la máxima temperatura ambiente en la región geográfica donde se instale el generador. En algunas áreas del norte de los Estados Unidos, por ejemplo, es muy probable que la temperatura máxima no exceda 90 F. Así que un diseñador podría seleccionar el los componentes del sistema de ventilación basado en un incremento de temperatura de 10 F con un sistema de enfriamiento de generador de 100 F, o basado en un incremento de temperatura de 35 F con un sistema de enfriamiento de generador de 125 F. La clave para la operación del sistema es estar seguro de que las decisiones de temperatura máxima de operación y de incremento de temperatura se hagan cuidadosamente, y que el fabricante del generador diseñe el sistema de enfriamiento (no solo el radiador) para las temperaturas y ventilación requeridos. El resultado de un inadecuado diseño es que el generador se calentará cuando la temperatura ambiente y las cargas en el generador sen altas. A temperaturas mas bajas, o menores niveles de carga el sistema podría operar correctamente. 13 Consulte la información del fabricante para información en la práctica de derrateo para un motor específico. La información de los productos Cummins Power Generation se encuentra en Power Suite. 6 DISEÑO MECANICO 110

19 Cálculos Flujo de Aire El rango de flujo de aire requerido para mantener un incremento específico de temperatu ra a en u cuarto de generador se describe con la fórmula: Donde: m= Rango de flujo de masa de aire que entra al cuarto en ft 3 /min (m 3 /min) Q= Rechazo de calor al cuarto de el generador o de otras fuentes de calor BTU/min (MJ/min) c P Calor especifico a presión constante: BTU/lb - F (1.01 x 10-3 MJ/kg - C) T= Incremento de temperatura en el cuarto del generador sobre la temperatura ambiente exterior; F ( C) d= Densidad del aire; lb/ft 3 (1.21 kg/cm 3 ) Lo que se puede reducir a: Probando los Sistemas de Ventilación en Campo Puesto que es difícil probar la operación adecuada, un factor que tener en cuenta en el probado del sistema es el incremento de temperatura en el cuarto en condiciones reales de operación vs. el incremento de temperatura diseñado. Si el incremento de temperatura a carga total y la baja temperatura ambiente son como se predijo, es mas probable que opere correctamente a niveles de temperatura y carga más altos. El procedimiento siguiente se puede usar para la calificación preliminar del diseño del sistema de ventilación. 1. Haga funcionar el generador a carga plena (fp de 1.0 es aceptable) lo suficiente para que se estabilice la temperatura del refrigerante. Esto tomará aproximadamente una hora. 2. Con el generador aún funcionando a carga de rango, mida la temperatura ambiente del cuarto del generador en la entrada del filtro de aire. 3. Mida la temperatura exterior en la sombra. 4. Calcule la diferencia de temperaturas entre la de afuera y la de adentro del cuarto. 5. Verifique que el incremento de temperatura diseñado del cuarto del generador y que la temperatura máxima del tanque superior no se excedan. El flujo total de aire en el cuarto es el valor calculado por esta ecuación, más el aire de combustión requerido por el motor 14. En éste cálculo los factores mayores son obviamente el calor irradiado al cuarto por el generador (y otros equipos) y el incremento de temperatura máximo permisible. Puesto que el rechazo de calor al cuarto está fundamentalmente relacionado con el tamaño en kw del generador, y ese rango está controlado por la demanda local del edificio, la mayor decisión a hacer por el diseñador en cuanto a la ventilación es el incremento de temperatura en el cuarto. Si el incremento de temperatura diseñado o la temperatura del tanque superior se exceden, se requieren pruebas más exactas de la instalación o correcciones en el diseño del sistema. Ventilación de Radiador Montada en el Patín En esta configuración (Figura 6-24), el ventilador toma aire a través de las entradas de aire en la pared opuesta y por sobre el generador y lo empuja a través del radiador que tiene herrajes para conectarse a un ducto hacia afuera de la construcción. Considere lo siguiente : La ubicación del cuarto de generador debe ser tal que el aire de ventilación se puede succionar directamente del exterior y descargado directamente hacia fuera de la construcción. El aire de ventilación no debe ser tomado de cuartos contiguos. El escape también debe descargar en el lado de descarga del aire de radiador para reducir la 14 Los datos requeridos para los cálculos de generadores específicos de Cummins Power Generation se pueden encontrar en Power Suite. Puede haber diferencias significativas en las variables usadas en estos cálculos para los productos de diferentes fabricantes. 6 DISEÑO MECANICO 111

20 probabilidad de que los gases y el hollín se succionen hacia adentro del cuarto del generador con el aire de ventilación. Las aberturas de entrada y salida de aire de ventilación deben estar ubicadas o protegidas para minimizar el ruido del ventilador y los efectos del viento en el flujo de aire. Cuando se usen, el escudo de descarga debe estar ubicado a no menos de la distancia de la altura del radiador de la abertura. Se obtiene mejor desempeño aproximadamente 3 veces la altura del radiador. En áreas restringidas, aletas de dirección pueden ayudar a reducir la restricción causada por las barreras. Cuando se usen aletas, diséñelas con una salida de agua para evitar que la lluvia entre en el cuarto del generador. El flujo de aire a través del radiador es generalmente suficiente para la ventilación del cuarto. Vea el ejemplo de cálculo (en Cálculos de Flujo de Aire en esta sección) para el método de determinar el flujo de aire requerido para cumplir con las especificaciones de incremento de tem peratura del cuarto. Consulte la hoja de especificaciones del generador recomendado para el diseño de flujo de aire a través del radiador y la restricción permitida de flujo de aire. No se debe exceder la restricción de flujo de aire. La presión estática (restricción de flujo de aire) debe medirse, como lo muestran las Figuras 6-24, 6-26 y 6-27, para confirmar, antes de que el generador se ponga en servicio que el sistema no es restrictivo. Esto aplica especialmente cuando el aire de ventilación es suministrado y descargado a través de ductos largos, rejillas restrictivas, pantallas y persianas. Las reglas generales para el tamaño de las entradas y salidas de aire se han aplicado, y hasta publicado, en el pasado, pero han sido abandonadas. Debido a la gran variación en el desempeño de las persianas y las crecientes demandas en las instalaciones debido al espacio, ruido, etc., estas reglas han sido poco confiables en el menor de los casos. Generalmente, los fabricantes de persianas tiene tablas de restricción de la persiana vs. el flujo de aire. Estas tablas, combinadas con el diseño del ducto y otras restricciones se pueden comparar fácilmente con las especificaciones del generador para tener un método confiable de determinar un nivel de restricción aceptable. Para las instalaciones en Norte América, con - sulte las publicaciones de ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) para recomendaciones en los diseños de ductos si es requieren estos para la aplicación. Note que el ducto de entrada debe manejar el flujo de aire de combustión (ver hoja de especificaciones), así como el flujo de aire de ventilación y debe tener el tamaño adecuado para esto. Las persianas y las pantallas en las entradas y salidas de aire restringe n el flujo de aire y varían ampliamente en su desempeño. Una persiana con aletas delgadas, por ejemplo, tiende a ser mas restrictiva que una con aletas anchas. Se debe usar el área efectiva abierta especificada por el fabricante de las pantallas y persianas. Puesto que el ventilador del radiador causará una ligera presión negativa en el cuarto del generador, se recomienda que equipo de combustión tal como calentadores de calefacción o calderas no se instale en el mismo cuarto con el generador. Si esto es inevitable, será necesario determinar si habrá efectos dañinos tales como retroflujo, y proveer los medios (aberturas mayores de salida y entrada y/o ductos, ventiladores de presurización, etc.) para reducir la presión negativa a niveles aceptables. En climas fríos se deben utilizar amortiguadores automáticos para cerrar las entradas y salidas de aire para reducir la pérdida de calor en el cuarto del generador cuando este no esta funcionando. Se debe usar un amortiguador termostático para recircular una porción del aire de descarga del radiador para reducir el volumen de aire frío que se succiona hacia adentro del cuarto cuando el generador está funcionando. Los amortiguadores de entrada y salida deben abrir completamente cuando el generador arranca, El amortiguador de recirculación debe cerrar completamente a 60 F (16 C). A excepción de recircular la descarga de aire del radiador al cuarto del generador en climas fríos, todo el aire de ventilación se debe descargar directamente afuera del edificio. No se debe usar para calentar ningún espacio que no sea el cuarto del generador. Un conector flexible de ducto debe ser usado en el radiador para prevenir la recirculación de aire alrededor del radiador, para absorber la vibración y movimiento del generador y preve nir la transmisión del ruido. 6 DISEÑO MECANICO 112

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