El enfriamiento por intercambiador de calor del generador es un método líquido-líquido que disipa el calor del motor en un circuito de agua independiente en lugar de al aire. Un intercambiador de carcasa y tubos reemplaza al radiador y al ventilador, de modo que el agua de la camisa del motor transfiere su calor a una segunda fuente de agua: agua de la red pública, un circuito de torre de enfriamiento, agua refrigerada del edificio o agua de mar. Los dos fluidos nunca se mezclan. Se utiliza cuando un generador no tiene una vía de acceso al aire exterior, como en una sala de máquinas en un sótano o en una instalación marina.
Esta es la parte que la mayoría de las guías omiten. Un intercambiador de calor no elimina el calor, sino que lo redistribuye.
La función de un radiador termina en el ventilador, y el calor se disipa. La función de un intercambiador de calor termina en un acoplamiento, y a partir de ahí, el calor pasa a formar parte de otro circuito. Ese circuito trae consigo su propia composición química del agua, bombas, ensuciamiento y riesgo de congelación. Elegir la refrigeración mediante intercambiador de calor para generadores no es comprar un componente, sino asumir la responsabilidad de un segundo circuito de refrigeración.
Una aclaración, dado que el término es ambiguo. Este artículo trata sobre la refrigeración por agua de la camisa del motor en grupos electrógenos diésel o de gas. Un dispositivo diferente con un nombre similar refrigera los devanados del alternador en los generadores de grandes centrales eléctricas, que no es el que se utiliza en los grupos electrógenos de reserva. En Shandong Huali, integramos estas configuraciones en grupos electrógenos de gran tamaño para interiores y embarcaciones, por lo que las normas que se describen a continuación provienen de la documentación del motor y de nuestras propias instalaciones.
Puntos Clave
- Un intercambiador de calor de generador es un dispositivo líquido-líquido que transfiere el calor del agua de la camisa a un circuito separado. Los dos fluidos nunca se mezclan.
- It reubica El calor se disipa en lugar de eliminarse, por lo que las bombas del circuito secundario, la calidad del agua y la acumulación de residuos pasan a ser responsabilidad del usuario.
- La regla de decisión es una regla de cabeza. Exceder la lugar de trabajo dinámico límite de altura y una bomba de refuerzo es suficiente. Exceder el estático El límite de presión y el radiador y el generador deben estar aislados, que es precisamente lo que hace un intercambiador de calor.
- El lado del motor está protegido por glicol, pero El lado del agua bruta no se puede proteger de la congelación., por lo que no es adecuado para un conjunto de espera inactiva en un clima frío. Los códigos locales también pueden restringir el enfriamiento con agua de la ciudad o del estanque para equipos de reserva de emergencia.
Qué hace (y qué no hace) el sistema de refrigeración por intercambiador de calor del generador
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos consta de cuatro partes principales. La carcasa es el cilindro exterior, el haz de tubos se encuentra en su interior y la placa tubular mantiene los tubos en su lugar y separa los dos fluidos. Los deflectores obligan al fluido de la carcasa a atravesar los tubos en lugar de pasar directamente a través de ellos, lo que aumenta la turbulencia y mejora la transferencia de calor.
El refrigerante del motor fluye por un lado y el agua bruta o secundaria por el otro. El calor se transmite a través de las paredes de los tubos y ninguno de los fluidos entra en contacto con el otro. El agua bruta contiene minerales que forman incrustaciones, cloruros y sólidos en suspensión que dañarían los conductos de refrigeración del motor, por lo que el intercambiador actúa tanto como barrera como vía de paso del calor.
Un intercambiador de calor para generador es una configuración dentro de un sistema de refrigeración de generador más grande , y el mismo circuito cerrado que alimenta un radiador alimenta este dispositivo. El circuito en sí no cambia: bomba, bloque y culata del motor, termostato y de vuelta a la bomba. Para una explicación detallada de los componentes, consulte nuestra guía sobre cómo funciona un sistema de refrigeración para generador.
No es dos cosas. No es un enfriador en el sentido de enfriar algo, ya que disipa el calor hacia el agua secundaria. Y no sustituye la ventilación. El informe técnico de Kohler sobre el diseño de sistemas de refrigeración remota es claro al respecto: un sistema de refrigeración remota necesita menos flujo de aire, pero aún así necesita el suficiente para disipar el calor radiante y suministrar aire para la combustión.
Refrigeración por radiador frente a refrigeración por intercambiador de calor: la regla de decisión.
La mayoría de las comparaciones entre la refrigeración por radiador y por intercambiador de calor son vagas y se limitan a decir que un intercambiador de calor sirve "cuando un radiador no funciona", sin profundizar más. Existe una regla precisa, y se reduce a dos tipos de cabezales.
La presión estática es la presión en el sistema cuando no hay flujo de refrigerante. Un factor la determina: la altura del radiador con respecto al motor. Si la presión estática excede la capacidad de diseño del motor, el resultado no es una pérdida gradual de rendimiento, sino una falla prematura de las juntas y sellos, debido a que la presión ejerce una fuerza excesiva sobre componentes para los que no fueron diseñados.
La presión dinámica es la resistencia total del sistema de refrigeración mientras circula el refrigerante, determinada por el caudal, el diámetro de las tuberías y la caída de presión a través del radiador. A diferencia de la presión estática, en ocasiones puede reducirse utilizando tuberías de mayor diámetro.
La regla se deduce entonces claramente:
- Si solo la carga dinámica supera el límiteUna bomba de refuerzo puede superar la restricción adicional. Conservas el radiador.
- Si la carga estática supera el límiteEl radiador y el generador deben estar aislados entre sí. Este aislamiento se realiza normalmente mediante un intercambiador de calor.
Por lo tanto, un intercambiador de calor no es una mejora general para un sistema de refrigeración deficiente. Soluciona un problema específico: el radiador está demasiado alto con respecto al motor, y ninguna bomba puede corregir un problema de presión estática. Daniel Okafor, al poner en marcha un grupo electrógeno de 1,000 kW en el sótano de un hotel de Lagos, lo aprendió por las malas. El radiador se encontraba a nueve metros por encima del motor y el grupo electrógeno se sobrecalentaba. En la planta se asumió que la máquina era demasiado pequeña, pero la presión estática superaba el límite especificado para el motor, por lo que el refrigerante nunca circulaba correctamente.
Cuando el lugar cuenta con aire exterior disponible, pero el radiador simplemente necesita ubicarse a cierta distancia, la decisión es diferente. Nuestra guía para el generador de radiador remoto abarca los límites de distancia, el dimensionamiento de la bomba y las tuberías.
| Factor | Radiador montado en la unidad o remoto | Intercambiador de calor |
|---|---|---|
| ¿Qué disipa el calor? | Aire | Un segundo circuito de agua |
| Se necesita ventilación en la habitación | Alto para montaje en unidad, más bajo para control remoto | Se requiere aire de combustión y radiante bajo, pero aún así se requiere. |
| Suministro de agua externo | No se requiere | Obligatorio y continuo |
| Apto para interiores o sótanos. | Pobre a moderado | Bueno |
| Ajuste marino | Pobre | Excelente |
| Ruido | Ruido del ventilador presente | Muy tranquilo en la habitación. |
| Riesgo de congelación | Solo lado del refrigerante, protegido con glicol | La cara secundaria no puede protegerse con glicol. |
| Mantenimiento añadido | Correas, aletas, ventilador | Química del agua, filtros, ánodos de zinc, impulsor, ensuciamiento |
| Equipos añadidos | Ninguna | Bombas secundarias, filtros, controles |
| Coste relativo | Más Bajo | Más alto, y normalmente solo se utiliza cuando es necesario. |
Hacia dónde se dirige el calor del segundo circuito: Cuatro disipadores de calor
Un intercambiador de calor es solo la mitad de un sistema. La otra mitad es el componente que absorbe el calor, y esa elección determina la mayor parte del riesgo del proyecto.
El agua de la red pública es la solución más sencilla en teoría, siempre que el suministro sea continuo y cumpla con los requisitos de caudal, temperatura y presión del intercambiador. El problema no es técnico. El informe técnico de Kohler indica claramente que las normativas locales pueden impedir o restringir el uso de sistemas de refrigeración con agua de la red pública o de estanques por parte de los generadores de emergencia. La aplicación que con mayor probabilidad consideraría el uso de agua de la red pública es precisamente la que con mayor probabilidad se vería excluida. Consulte primero con la autoridad competente.
Las torres de refrigeración no se pueden conectar directamente a un motor. El sistema de camisa es un circuito cerrado y presurizado con agua tratada y glicol, mientras que una torre de refrigeración es un circuito abierto con su propia química y pérdidas por evaporación. Conectarlos contaminaría el circuito del motor y destruiría la concentración de glicol, por lo que se separan mediante un intercambiador de calor. Las torres son costosas y ocupan espacio, por lo que su instalación resulta más conveniente cuando ya existe una.
El agua fría en edificios es la solución para instalaciones urbanas. Si un edificio ya cuenta con un sistema de agua fría, el generador puede inyectar el aire caliente en él a través de un circuito intermedio, lo que reduce la ventilación de las habitaciones a lo estrictamente necesario para la combustión y la calefacción radiante. El equipo de instalaciones mecánicas del edificio debe aceptar absorber esta carga durante la fase de diseño, no durante la puesta en marcha. Un análisis inicial de los requisitos de ventilación del grupo electrógeno permitirá determinar el ahorro real de flujo de aire.
La refrigeración por quilla y la refrigeración superficial son sistemas marinos distintos. Un enfriador de quilla es un intercambiador de calor externo acoplado al casco sumergido. El agua de la camisa circula a través de él, impulsada por la bomba de agua del propio motor, y el mar absorbe el calor. El agua bruta nunca entra en el sistema de refrigeración del buque, por lo que no hay impulsor que pueda fallar, ni filtro que se obstruya, ni zinc que se consuma. Dos reglas son importantes para los grupos electrógenos: el enfriador de quilla de un grupo electrógeno debe tener un tamaño mayor que el de un motor de propulsión, ya que un generador suele funcionar a máxima carga mientras el buque está parado, y nunca debe compartirse con otro motor.
| Disipador de calor | La restricción que lo decide | Riesgo de congelación | ¿Quién lo mantiene? |
|---|---|---|---|
| agua de la ciudad/municipal | Permiso de código, más un suministro continuo | Bajo, si se drena | Instalaciones del sitio |
| Torre de enfriamiento | Espacio, costo, generalmente solo si ya existe uno | Moderado, bucle abierto | Instalaciones del sitio |
| Edificio de agua refrigerada | Acuerdo del equipo mecánico, capacidad de carga | Circuito cerrado bajo | operador del edificio |
| Refrigeración de la quilla/piscina | Solo para uso marítimo, debe ser de gran tamaño y estar aislado. | Bajo, mar moderado | Tripulación del buque |
Dimensionamiento del intercambiador de calor del generador: Las cifras del lado del agua
El dimensionamiento es donde la refrigeración del intercambiador de calor del generador se vuelve específica, y donde la mayoría de las guías publicadas se detienen. Estas cifras provienen de la guía de instalación y aplicación marina de Caterpillar, uno de los pocos documentos que trata el sistema de refrigeración por agua como un problema de ingeniería en lugar de un detalle secundario de la instalación de tuberías.
Objetivos del agua de la camisa. Mantenga el diferencial por debajo de aproximadamente 8.3 °C (15 °F) en la máxima disipación de calor del motor, y mantenga los termostatos para que el refrigerante regrese al motor a aproximadamente 79 °C (175 °F).
Margen. Dimensionar el intercambiador para una tasa de rechazo de calor aproximadamente un 10 % mayor que la cifra tabulada, cubriendo la variación normal y las sobrecargas momentáneas.
Caudal. La relación es gpm = Q ÷ (500 × ΔT) , donde Q es el calor rechazado al agua de la camisa en BTU por hora y ΔT es el aumento de temperatura del agua admisible en °F.
Salida de agua bruta. El agua que sale del intercambiador no debe superar los 60 °C (140 °F) , lo que determina el ΔT útil, ya que la temperatura de entrada es la que suministra la planta. Un sistema que rechaza 19 200 BTU por minuto con agua de entrada a 27 °C (80 °F) y un límite de 60 °C (140 °F) requiere aproximadamente 40 gpm.
Haga circular el agua bruta a través de los tubos. Las instrucciones de Caterpillar lo indican claramente, y la razón es el mantenimiento, no la termodinámica. Un haz de tubos se puede limpiar introduciendo una varilla metálica; la carcasa no, porque requiere una limpieza química que, en una instalación marina, solo está disponible en tierra. Un intercambiador conectado en sentido contrario es imposible de limpiar in situ.
Controla la velocidad y la caída de presión. En un intercambiador de un solo paso, el agua fría debe fluir en sentido contrario al refrigerante de la camisa, lo que maximiza la diferencia de temperatura. La velocidad en los tubos debe mantenerse por debajo de 183 cm/s (6 pies/s) , ya que por encima de este valor la erosión se convierte en un verdadero problema, y la caída de presión en el lado de la carcasa debe mantenerse dentro de los límites que puede proporcionar la bomba de agua dulce del motor. Instala el intercambiador debajo del tanque de expansión.
Arun Patel dirige una planta ubicada a orillas de un río en Bangladesh. Su instalación se dimensionó según la disipación de calor tabulada, sin margen de seguridad, y el agua bruta se canalizó a través de la carcasa porque así encajaban las tuberías. Dos veranos después, el equipo empezó a perder potencia bajo carga: el agua del río había depositado incrustaciones en zonas inaccesibles para las varillas de control.
¿Dimensionar el generador en función de su carga térmica real, en lugar de seguir una regla general? Nuestro desglose del cálculo de la disipación de calor del generador le proporciona la cifra en la que se basa esta sección.
El problema de la congelación
Esta es la consecuencia del traslado que la mayoría de los proyectos descubren demasiado tarde.
El lado del motor está protegido. Una mezcla de glicol al 50/50 protege el refrigerante hasta aproximadamente -37 °C, y la química que lo mantiene a esa temperatura se explica en nuestra guía sobre anticongelantes para refrigerantes de generadores diésel.
El circuito secundario no cuenta con esa protección. El agua bruta se congela a la temperatura a la que siempre se congela el agua. Se puede añadir glicol a un circuito secundario cerrado, pero entonces se crea un segundo circuito cerrado y se hereda su composición química. El problema se ha trasladado, no resuelto.
Por lo tanto, la refrigeración mediante intercambiador de calor del generador no es adecuada para un generador de reserva que permanece inactivo durante un invierno gélido, que es precisamente la situación en la que un generador de reserva cobra mayor importancia. Vaciar el circuito secundario después de cada uso soluciona el problema, pero entra en conflicto directo con la disponibilidad que un grupo electrógeno de reserva debe proporcionar.
Calidad del agua y mantenimiento del segundo circuito
Este es el mantenimiento que el radiador nunca te pidió, y pertenece exclusivamente al sistema secundario. El programa de mantenimiento del motor es un asunto aparte, que se trata en nuestra guía de mantenimiento del sistema de refrigeración.
La química del agua determina si una instalación dura quince años o falla en tres. El agua dulce del lado del motor debe cumplir con una especificación definida antes de agregar cualquier inhibidor. Los límites de Caterpillar son ilustrativos: pH entre 5.5 y 9.0, cloruros por debajo de 40 ppm, sólidos disueltos totales por debajo de 340 ppm, sulfatos por debajo de 100 ppm y dureza por debajo de 170 ppm. El agua del grifo frecuentemente no cumple con varios de estos requisitos. Los componentes del lado del agua de mar deben ser de cobre-níquel , ya que los haces de tubos de acero estándar no resisten el agua salada, y los ánodos de sacrificio son obligatorios dondequiera que metales diferentes entren en contacto con el agua de mar. La incrustación es otra amenaza: los minerales disueltos se precipitan sobre las superficies calientes y las aíslan, y la guía publicada cita pérdidas de transferencia de calor de alrededor del 40 % una vez que se forma una incrustación significativa. La incrustación es la forma más común en que un intercambiador de calor del tamaño correcto se convierte en uno de tamaño insuficiente.
Tapones de zinc, o ánodos de sacrificio. El programa de inspección de Caterpillar es una guía práctica: inspeccionarlos dentro de las 24 horas posteriores al llenado de la tubería con agua de mar, nuevamente después de 7 días de inmersión, luego a los 60 a 90 días y, posteriormente, anualmente. Un detalle que suele confundir a la gente: nunca instale tapones de zinc con cinta de PTFE ni con un sellador de tuberías no conductor , ya que las propiedades aislantes del sellador impiden que el zinc cumpla su función.
Filtros. Estos protegen la bomba, el intercambiador y los conductos del motor de la suciedad. No debe pasar ninguna partícula mayor de 1.6 mm (1/16 pulg.) . Los intercambiadores de placas requieren una malla más fina que 3 mm ; los intercambiadores de tubos requieren una malla más fina que 5 mm . Un filtro del tamaño adecuado impone una restricción de flujo de aproximadamente 9 kPa (3 pies de columna de agua) . Utilice filtros dobles siempre que sea posible, para que la limpieza no interrumpa el flujo de agua de mar.
Limpieza del intercambiador de calor. Para una unidad marina, Northern Lights recomienda limpiar el núcleo del intercambiador una vez al año o después de aproximadamente 200 horas de funcionamiento, lo que ocurra primero. Vacíe el tanque de expansión y el intercambiador, extraiga el núcleo, limpie los tubos con varillas, enjuague, inspeccione, vuelva a ensamblar y compruebe si hay fugas.
Impulsor de la bomba de agua bruta. Esta pieza de desgaste falla sin previo aviso. Northern Lights recomienda cambiar el impulsor de la bomba de agua de mar cada 1,000 horas en un modelo y cada 750 horas en otro. Si al extraer el impulsor le faltan álabes, estos fragmentos se encuentran ahora en algún punto aguas abajo, por lo que una pérdida de caudal recurrente tras el cambio del impulsor indica claramente una obstrucción en el núcleo del intercambiador. Antes de la primera helada, drene el intercambiador y los conductos de agua bruta.
¿Necesita ayuda para especificar el sistema de agua de una instalación de gran tamaño? Envíenos las condiciones de su emplazamiento, incluyendo la temperatura ambiente, la fuente de agua disponible y las limitaciones de espacio, y especificaremos la configuración de refrigeración adecuada. Hable con nuestro equipo de ingeniería →
Cuando el enfriamiento del intercambiador de calor del generador es la respuesta equivocada
El sistema de refrigeración por intercambiador de calor del generador es una opción incorrecta en cinco situaciones:
- El lugar es una instalación inactiva ubicada en un clima gélido. La asimetría de congelación anterior es motivo de descalificación.
- El suministro de agua de la ciudad está restringido por normativa y solo se utiliza como reserva de emergencia. Si se interrumpe el suministro de agua municipal, la opción más económica desaparece.
- La habitación puede albergar un radiador remoto. Un radiador remoto no necesita un segundo circuito, ni control químico del agua, ni filtros, ni ánodos de zinc. Nuestra guía sobre radiadores remotos aborda esta cuestión.
- No hay un suministro de agua fiable. El sistema depende de un flujo continuo, mientras que un radiador remoto no lo necesita. Un suministro intermitente es peor que la ausencia total de suministro, ya que falla silenciosamente.
- El motor utiliza un sistema de refrigeración por aire de admisión. Si el circuito de aire de admisión no se puede canalizar sin perder respuesta transitoria o sin poner en peligro la certificación de emisiones, esa configuración queda descartada.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la refrigeración por radiador y la refrigeración por intercambiador de calor?
Un radiador disipa el calor del motor al aire mediante un ventilador y un núcleo con aletas. Un intercambiador de calor disipa el mismo calor a un segundo circuito de agua mediante una unidad de carcasa y tubos o de placas, sin ventilador. Los radiadores son más económicos, pero requieren flujo de aire; los intercambiadores de calor son más silenciosos, adecuados para interiores y entornos marinos, y necesitan un suministro continuo de agua.
¿Cuándo debería un generador utilizar un intercambiador de calor en lugar de un radiador?
La regla se refiere a la altura de elevación. Si solo la altura dinámica supera el límite del motor, una bomba de refuerzo lo soluciona y se mantiene el radiador. Si la altura estática supera el límite, lo que significa que el radiador está demasiado alto sobre el motor, ambos deben aislarse, y normalmente se realiza dicho aislamiento mediante un intercambiador de calor.
¿Puede un generador utilizar agua de la red pública para la refrigeración?
Técnicamente sí, siempre que el suministro sea continuo y cumpla con los requisitos de caudal, temperatura y presión del intercambiador. En la práctica, las normativas locales pueden restringir o prohibir el uso de agua de la red pública o de estanques para la refrigeración de generadores de emergencia, dado que estos pueden funcionar durante horas y descargar agua de forma continua. Consulte primero con la autoridad competente.
¿Cómo se dimensiona un intercambiador de calor para un generador?
Mantenga la diferencia de temperatura del agua de la camisa por debajo de aproximadamente 8.3 °C (15 °F) para lograr la máxima disipación de calor, y dimensione el intercambiador para que supere en aproximadamente un 10 % la disipación de calor tabulada. Calcule el caudal con gpm = Q ÷ (500 × ΔT). Mantenga el agua bruta que sale del intercambiador por debajo de aproximadamente 140 °F (60 °C) y la velocidad del tubo por debajo de 183 cm/s (6 pies/s) para evitar la erosión.
Conclusión
Cuatro decisiones determinan si el sistema de refrigeración del intercambiador de calor del generador funciona correctamente o se convierte en un gasto de mantenimiento.
Decida según la regla de la altura de elevación. Si se supera la altura estática, se requiere aislamiento, y el aislamiento requiere un intercambiador de calor. Si se supera la altura dinámica, se requiere una bomba de refuerzo. Invertir este criterio supone un gasto innecesario para la puesta en marcha.
Tamaño en el lado del agua, no en el catálogo. Diferencial de agua de la camisa inferior a 15 °F, un margen del 10 % en el rechazo de calor tabulado, agua bruta de salida inferior a 60 °C, velocidad del tubo inferior a 6 pies por segundo, y el agua bruta pasa a través de los tubos para que alguien pueda limpiarla.
Elija el disipador de calor en función de sus limitaciones, no de su costo. El agua de la red pública es la más barata hasta que un inspector municipal lo prohíba. Las torres de refrigeración necesitan espacio. Los enfriadores de quilla deben ser de gran tamaño y nunca deben compartirse.
Planifica el segundo circuito antes de adquirirlo. La química del agua, los filtros, los ánodos de zinc, los repuestos del impulsor y una estrategia contra la congelación no son aspectos secundarios, sino el precio de la configuración.
Un radiador expulsa calor al aire y con eso basta. Un intercambiador de calor redistribuye el calor en un circuito cerrado. Ambos sistemas son adecuados para el lugar correcto, y la diferencia se decide mucho antes de que se realice el pedido del equipo. Contacte con nuestro equipo de ingeniería →
