Como funciona o sistema de resfriamento de um gerador a diesel?
Como funciona o sistema de refrigeração de um gerador a diesel?
Este capítulo fala sobre as partes mais importantes dos sistemas de arrefecimento do motor a diesel e porque cada uma delas é importante para o bom funcionamento do motor.
Arrefecimento do motor mecanicamente
25 a 30 por cento de todo o calor que vem do combustível e vai para o motor é absorvido pelo sistema de arrefecimento.
Se esse calor não se dissipar, a temperatura interna do motor aumentará rapidamente a ponto de as peças quebrarem e o motor parar de funcionar. Todos os motores a diesel comerciais têm um sistema de resfriamento para coletar esse calor e movê-lo para um meio que absorva o calor fora do motor.
Muitos motores modernos têm sistemas de turbocompressão que garantem que haja ar suficiente para que o combustível queime e produza a potência necessária. O mecanismo de turbocompressão torna o ar de combustão mais quente. Antes de o ar de combustão entrar nos cilindros do motor, ele precisa ser resfriado para garantir que haja libras de ar suficientes para queimar o combustível (para manter a densidade do ar). Um trocador de calor que se parece com um radiador é colocado no tubo entre a saída do compressor do turbocompressor e o coletor de ar do motor. Isso é chamado de intercooler de ar ou pós-resfriador. A função deste radiador é remover o calor do ar de combustão. Este trocador de calor pode usar o sistema de água da camisa ou o sistema de água de serviço para obter sua água (o dissipador de calor final).
Quando a água de serviço é usada, pode haver um trocador de calor extra entre o sistema de água de serviço e o sistema de água do intercooler para limpar e manter a água no sistema de água do intercooler para que não danifique o intercooler de ar.
Fundamentos do sistema de resfriamento
A maioria dos motores a diesel possui um sistema de resfriamento que se parece com uma jaqueta e possui um circuito fechado. À medida que o líquido de arrefecimento flui pelo motor, ele absorve calor das camisas dos cilindros, cabeçotes e outras peças.
Quanto mais frio estiver o líquido de arrefecimento quando sai do motor, melhor o motor funcionará. Por outro lado, temperaturas muito altas do líquido de arrefecimento podem causar danos estruturais, deixando as peças do motor superaquecidas. O óleo lubrificante também pode ser resfriado usando camisa de água e um trocador de calor. A maioria dos motores a diesel funciona melhor com uma temperatura de descarga de água da camisa de cerca de 180oF e um aumento na temperatura através do motor entre 8 e 15oF.
A maioria dos motores a diesel esfria com água como refrigerante. Ainda assim, a água por si só pode causar ferrugem, acúmulo de minerais e congelamento.
Anticongelante, como etilenoglicol ou propilenoglicol, precisa ser adicionado a motores que podem estar próximos ou abaixo do congelamento. A solução mais comum é misturar anticongelante e água, que funciona em temperaturas tão baixas quanto -40 graus F. O anticongelante comercial contém produtos químicos que impedem a ocorrência de ferrugem. A adição de anticongelante dificulta a movimentação do calor.
Na maioria das vezes, os motores a diesel usados em reatores nucleares para serviços de emergência não são expostos a temperaturas congelantes. Nessas condições, não há necessidade de anticongelante. Ainda assim, a corrosão pode ser interrompida misturando produtos químicos que interrompem a corrosão com água que foi despojada de seus minerais.
Química da água: A água usada para resfriar um motor não deve conter produtos químicos que causem depósitos ou incrustações. Na maioria das vezes, a água desmineralizada é usada. O pH da água deve estar entre 8 e 9,5.
É melhor adicionar um inibidor de corrosão como o Nalco 2000 para evitar que a incrustação se acumule nas camisas e cabeçotes dos cilindros. Um décimo sexto de polegada de escala é o mesmo que adicionar uma polegada de aço ao motor para torná-lo menos propenso a deixar o calor passar. Uma análise química do refrigerante é feita de vez em quando, e a quantidade certa de inibidor de corrosão é adicionada para manter a química da água correta.
Como manter um motor frio
Em algumas configurações, a água no intercooler e a água na jaqueta são resfriadas por diferentes partes do radiador. Na maioria das vezes, o circuito de água da camisa é utilizado para resfriar o óleo lubrificante nessas situações.
Com a ajuda de um tanque de expansão (também chamado de "cabeça" ou "tanque de compensação"), que é instalado acima do motor para manter uma cabeça no sistema, o líquido de arrefecimento é armazenado no próprio sistema do motor. O motor aciona a bomba, que puxa o ar do sistema e envia refrigerante para o motor. Na maioria dos sistemas, a água sai do motor por meio de uma válvula controlada por um termostato. Se a água estiver muito fria, uma linha a deixa circular pelo trocador de calor. A água passa pelo trocador de calor se estiver muito quente.
A válvula de controle termostática (TCV) descobre o quão quente o refrigerante está e reage a ele.
Assim que a temperatura do líquido de arrefecimento do motor cair abaixo do ponto de ajuste da válvula, o líquido de arrefecimento é enviado através do trocador de calor da camisa de água. Quando a temperatura do refrigerante é maior que o ponto de ajuste, a válvula envia o refrigerante através do trocador de calor. O excesso de calor é então enviado para o sistema de água bruta ou de serviço. Quando um motor a diesel liga, o fluxo de água de serviço começa sozinho.
Pela saída do trocador de calor, ou by-pass, a água volta para a bomba d'água da camisa e, eventualmente, para o motor. Em muitos sistemas, o sistema de óleo lubrificante é resfriado por um trocador de calor no sistema de camisa de água. Para motores em que é importante manter o óleo lubrificante mais frio do que a água da camisa, o calor do óleo é enviado diretamente para o sistema de serviço/água bruta por meio do trocador de calor no sistema de óleo lubrificante.
Quando o refrigerante chega ao bloco de cilindros, ele flui através de canais internos e/ou tubos para a parte inferior das camisas de cilindro. À medida que o líquido sobe, ele flui ao redor das camisas dos cilindros e para dentro dos cabeçotes. Quando o refrigerante sai dos cabeçotes, ele vai para um cabeçote de saída e depois para a válvula termostática.
Em motores com intercoolers ou pós-resfriadores, parte da água da camisa passa pelos intercoolers para absorver o calor da carga de ar de entrada que não é necessária. Em muitos motores com intercoolers ou pós-resfriadores, esse calor extra é enviado para o sistema de serviço/água bruta por um trocador de calor separado. Isso é bom porque a água no intercooler deve ser resfriada a uma temperatura mais baixa do que a água no sistema de água da camisa. A maioria dos motores ALCO usa o sistema de camisa de água para resfriar a água no intercooler.
Tanque de expansão - Muitos motores usam um tanque de expansão com fechamento pressurizado, ou o tanque de expansão é montado alto o suficiente para manter a carga necessária (cabeça de pressão positiva líquida - NPSH) no sistema. Na maioria das vezes, o tanque de expansão é colocado logo acima do ponto mais alto do sistema de água de resfriamento da camisa, e as linhas de ventilação são usadas para manter o sistema livre de ar. Alguns tanques de expansão podem ser bombeados para manter uma pressão mais alta, o que ajuda a elevar o ponto de ebulição do fluido refrigerante.
Um tubo vertical é um tanque montado verticalmente e na mesma altura do motor. Ele retém o líquido de arrefecimento do motor e tem um espaço para o ar compensar a expansão do líquido de arrefecimento quando esquenta.
Os tubos verticais geralmente são ventilados para o ar, criando um sistema de resfriamento que não está sob pressão. O nível de água no tubo vertical deve ser alto o suficiente para atingir o NPSH necessário ou o tanque deve ser pressurizado.
Bomba de água da camisa: O motor aciona a bomba de água da camisa centrífuga de estágio único, que é acionada pelo virabrequim do motor por meio de uma série de engrenagens.
Como visto, a água entra na entrada de sucção da bomba. O trem de engrenagens do motor aciona a engrenagem de acionamento da bomba, que por sua vez gira o eixo da bomba e o impulsor. A velocidade do refrigerante é aumentada pela força centrífuga quando o impulsor gira. À medida que o refrigerante entra na carcaça da bomba, sua velocidade diminui e sua pressão aumenta proporcionalmente. O líquido refrigerante vaza da carcaça da bomba para o coletor de água da camisa até a extremidade inferior das camisas do cilindro a uma pressão mais alta.
O líquido de arrefecimento do motor sobe pela parte inferior da válvula de controle termostática. Quando a temperatura do refrigerante está baixa, conforme mostrado no lado direito do diagrama, o gatilho da válvula deslizante fica na posição para cima e o refrigerante circula pelo trocador de calor.
À medida que a temperatura do refrigerante aumenta, os grânulos de cera dentro dos elementos de controle de temperatura se expandem. Isso empurra o tubo do elemento e o gatilho da válvula para baixo. Assim, o fluxo através do bypass é limitado ou estrangulado, conforme mostrado no lado esquerdo do diagrama, e o refrigerante é enviado para o trocador de calor.
Em uso, a válvula muda de posição em uma faixa de temperatura de cerca de 10 a 150 graus Fahrenheit para manter a temperatura do refrigerante bastante estável.
Trocador de calor de água com camisa - Os trocadores de calor com camisa de água são geralmente feitos de uma carcaça e tubos. No lado da carcaça, o líquido de arrefecimento do motor geralmente flui pelos tubos, enquanto a água de serviço flui pelos tubos.
Sistemas de proteção contra água com jaqueta
Quando um motor é desligado por um tempo, a temperatura dentro do motor cai muito. Dar partida e carregar rapidamente um motor frio, o que é típico de motores a diesel de aplicação nuclear em situações de emergência, coloca o motor sob muito estresse e o desgasta mais rapidamente até atingir sua temperatura normal de operação.
O sistema de aquecimento de água da jaqueta é mostrado no mesmo plano que o sistema de resfriamento de água da jaqueta padrão. Esta peça mantém a temperatura do líquido de arrefecimento do motor próxima ou próxima da temperatura normal de operação. Isso não significa que todas as peças estejam em sua temperatura normal.
Como os motores a diesel usam o calor da compressão para dar partida, manter o motor quente faz com que ele dê partida muito mais rápido e reduz a probabilidade de o motor não dar partida porque a temperatura do ar de admissão está muito baixa.
Bomba Keepwarm: A bomba Keepwarm é uma bomba centrífuga de estágio único que é alimentada por eletricidade. É semelhante à bomba acionada pelo motor, pois mantém o líquido de arrefecimento aquecido em movimento no motor, mesmo quando o motor está desligado.
Aquecedor de aquecimento: O aquecedor de aquecimento de água da jaqueta é um aquecedor elétrico de imersão, assim como o aquecedor de aquecimento de óleo lubrificante.
É colocado em um tubo vertical ou tanque de aquecimento separado. É controlado por um termostato para manter o motor na temperatura certa.
Como funciona o sistema: Quando o motor está no modo "standby", o sistema "keepwarm" é acionado. A bomba de aquecimento cria um vácuo no sistema e envia água para a entrada de água da camisa do motor. Quando o motor está funcionando, válvulas de retenção podem ser colocadas no sistema de manutenção da temperatura para interromper o fluxo na direção errada. O refrigerante aquecido flui através do motor, aquecendo os cilindros, cabeçotes e outras peças que são resfriadas pela água.
Sistema de Resfriamento de Água
O sistema de água do intercooler fornece água para o intercooler ou pós-resfriador, que é instalado nos tubos de admissão de ar de combustão do motor. É um trocador de calor como um radiador que resfria o ar de combustão após o compressor do turbocompressor e antes do coletor de ar/plenum do motor.
O resfriamento torna o ar mais denso, o que permite que mais oxigênio queime mais combustível e produza mais energia. Além disso, o ar de combustão resfria as cabeças dos pistões.
A água usada para o resfriamento intermediário deve estar bem próxima da temperatura do ar ao redor. Por esse motivo, geralmente é melhor usar água de serviço em vez de água de camisa, que tem uma temperatura muito mais alta (160 a 180oF).
Um diagrama típico do sistema de água do intercooler e do pós-arrefecedor
Como essas peças são as mesmas usadas no sistema de jaqueta de água, não falaremos mais delas.
Em alguns sistemas de água do intercooler, um termostato pode ser usado para evitar que a água do intercooler fique muito fria, especialmente em clima frio ou quando o motor não está fazendo muito trabalho. Isso evita que a umidade se condense no ar de combustão tanto quanto possível. Em alguns sistemas, o sistema de água da jaqueta e o sistema de água do intercooler estão conectados para que o intercooler possa ser aquecido quando necessário.
Se o ar de combustão que entra no motor estiver muito frio, pode levar mais tempo para o motor ligar, pode não funcionar bem quando a carga é baixa e a camisa do cilindro pode não ser bem lubrificada. Para mitigar esse impacto, vários fabricantes restringem termostaticamente o fluxo de água de resfriamento para o intercooler e/ou fornecem água quente para jaqueta conforme necessário.
A válvula termostática no circuito evita que a água do intercooler fique muito fria, o que também evita que o ar que entra no motor fique muito frio. Quando o ar está muito frio, pode causar condensação no motor e fumaça "branca" saindo pelo tubo de escape.
Mais coisas que o tornam legal
Na maioria das vezes, o gerador a diesel é mantido em um prédio com poucas aberturas.
Existem várias fontes de calor na sala EDG, como o motor e o gerador. Para obter o melhor desempenho, o painel de distribuição, os painéis de controle, o equipamento de monitoramento, o tanque diário de combustível, o(s) compressor(es) de ar e o(s) tanque(s) de armazenamento de ar nesta área devem ser mantidos em temperatura fria.
A sala EDG não pode ficar mais quente do que 122 graus F (50 graus). Assim, é necessário trazer ar frio suficiente (ar ambiente) para eliminar o calor e manter a temperatura do ambiente abaixo do máximo permitido. Mesmo que a temperatura ambiente não tenha muito efeito sobre o próprio motor, temperaturas muito altas do EDG podem afetar o gerador e outras peças. Se o ar para a combustão do motor vier da sala, o ar quente que entra no motor pode torná-lo menos potente.
