Come funziona il sistema di raffreddamento di un generatore diesel?

Come funziona il sistema di raffreddamento di un generatore diesel?

Questo capitolo parla delle parti più importanti dei sistemi di raffreddamento del motore diesel e del motivo per cui ognuna di esse è importante per il buon funzionamento del motore.

Raffreddamento meccanico del motore
Il 25-30 percento di tutto il calore proveniente dal carburante e immesso nel motore viene assorbito dal sistema di raffreddamento.
Se questo calore non si disperde da solo, la temperatura interna del motore salirà rapidamente fino al punto in cui le parti si rompono e il motore smette di funzionare. Tutti i motori diesel commerciali hanno un sistema di raffreddamento per raccogliere questo calore e spostarlo in un mezzo che assorbe il calore all'esterno del motore.
Molti motori moderni sono dotati di sistemi di sovralimentazione che assicurano che ci sia abbastanza aria per far bruciare il carburante e produrre la potenza necessaria. Il meccanismo di sovralimentazione rende l'aria di combustione più calda. Prima che l'aria di combustione entri nei cilindri del motore, deve essere raffreddata per assicurarsi che ci siano abbastanza libbre d'aria per bruciare il carburante (per mantenere la densità dell'aria). Nel condotto tra l'uscita del compressore del turbocompressore e il collettore dell'aria del motore è inserito uno scambiatore di calore simile a un radiatore. Questo è chiamato intercooler ad aria o aftercooler. Il compito di questo radiatore è quello di rimuovere il calore dall'aria comburente. Questo scambiatore di calore può utilizzare il sistema dell'acqua della camicia o il sistema dell'acqua di servizio per ottenere la sua acqua (il dissipatore di calore definitivo).
Quando si utilizza l'acqua di servizio, potrebbe esserci uno scambiatore di calore aggiuntivo tra il sistema dell'acqua di servizio e il sistema dell'acqua dell'intercooler per pulire e mantenere l'acqua nel sistema dell'acqua dell'intercooler in modo che non danneggi l'intercooler ad aria.

Fondamenti del sistema di raffreddamento
La maggior parte dei motori diesel ha un sistema di raffreddamento che assomiglia a una camicia e ha un circuito chiuso. Quando il liquido di raffreddamento scorre attraverso il motore, assorbe il calore dalle canne dei cilindri, dalle testate dei cilindri e da altre parti.

Più freddo è il liquido di raffreddamento quando esce dal motore, migliore sarà il funzionamento del motore. D'altra parte, temperature del liquido di raffreddamento troppo elevate possono causare danni strutturali provocando il surriscaldamento delle parti del motore. L'olio lubrificante può anche essere raffreddato utilizzando l'acqua della camicia e uno scambiatore di calore. La maggior parte dei motori diesel funziona al meglio con una temperatura di scarico dell'acqua della camicia di circa 180 oF e un aumento della temperatura attraverso il motore compreso tra 8 e 15 oF.

La maggior parte dei motori diesel si raffredda con l'acqua come refrigerante. Tuttavia, l'acqua da sola può causare ruggine, accumulo di minerali e congelamento.
L'antigelo, come il glicole etilenico o il glicole propilenico, deve essere aggiunto ai motori che potrebbero essere vicini o sotto lo zero. La soluzione più comune è mescolare antigelo e acqua, che funziona a temperature fino a -40 gradi F. L'antigelo commerciale contiene sostanze chimiche che impediscono la formazione di ruggine. L'aggiunta di antigelo rende più difficile lo spostamento del calore.
La maggior parte delle volte, i motori diesel utilizzati nei reattori nucleari per il servizio di emergenza non sono esposti a temperature gelide. In queste condizioni non è necessario l'antigelo. Tuttavia, la corrosione può essere fermata mescolando sostanze chimiche che bloccano la corrosione con acqua che è stata privata dei suoi minerali.

Chimica dell'acqua: l'acqua utilizzata per raffreddare un motore non deve contenere sostanze chimiche che causano depositi o incrostazioni. La maggior parte delle volte viene utilizzata acqua demineralizzata. Il pH dell'acqua dovrebbe essere compreso tra 8 e 9,5.
È meglio aggiungere un inibitore di corrosione come Nalco 2000 per evitare che il calcare si accumuli sulle canne dei cilindri e sulle teste dei cilindri. Un sedicesimo di pollice di scala equivale ad aggiungere un pollice di acciaio al motore per ridurre le probabilità di far passare il calore. Ogni tanto viene eseguita un'analisi chimica del liquido di raffreddamento e viene aggiunta la giusta quantità di inibitore di corrosione per mantenere corretta la composizione chimica dell'acqua.

Come mantenere un motore fresco
In alcune configurazioni, l'acqua nell'intercooler e l'acqua nella camicia vengono raffreddate da diverse parti del radiatore. Il più delle volte, il circuito dell'acqua della camicia viene utilizzato per raffreddare l'olio lubrificante in queste situazioni.
Con l'aiuto di un vaso di espansione (chiamato anche "testata" o "serbatoio di reintegro"), installato sopra il motore per mantenere la testata sul sistema, il liquido di raffreddamento viene immagazzinato nel sistema motore stesso. Il motore aziona la pompa, che aspira l'aria dal sistema e invia il refrigerante al motore. Nella maggior parte dei sistemi, l'acqua esce dal motore attraverso una valvola controllata da un termostato. Se l'acqua è troppo fredda, una tubazione la fa circolare attorno allo scambiatore di calore. L'acqua passa attraverso lo scambiatore di calore se è troppo calda.
La valvola di controllo termostatico (TCV) rileva quanto è caldo il liquido di raffreddamento e reagisce ad esso.

Non appena la temperatura del liquido di raffreddamento del motore scende al di sotto del punto di regolazione della valvola, il liquido di raffreddamento viene inviato attraverso lo scambiatore di calore dell'acqua della camicia. Quando la temperatura del refrigerante è superiore al set point, la valvola invia il refrigerante attraverso lo scambiatore di calore. Il calore in eccesso viene poi inviato alla rete dell'acqua grezza o di servizio. Quando si avvia un motore diesel, il flusso dell'acqua di servizio si avvia da solo.
Attraverso l'uscita dello scambiatore di calore, o linea di bypass, l'acqua ritorna alla pompa dell'acqua della camicia e, infine, al motore. In molti sistemi, il sistema dell'olio di lubrificazione viene raffreddato da uno scambiatore di calore nel sistema dell'acqua della camicia. Per i motori in cui è importante mantenere l'olio lubrificante più fresco dell'acqua della camicia, il calore dell'olio viene inviato direttamente al sistema dell'acqua grezza/di servizio attraverso lo scambiatore di calore nel sistema dell'olio lubrificante.
Quando il liquido di raffreddamento raggiunge il monoblocco, scorre attraverso canali e/o tubi interni fino al fondo delle canne dei cilindri. Man mano che il liquido sale, scorre attorno alle canne dei cilindri e nelle testate dei cilindri. Quando il liquido di raffreddamento esce dalle teste dei cilindri, entra in un collettore di uscita e quindi nella valvola termostatica.
Sui motori con intercooler o aftercooler, parte dell'acqua della camicia passa attraverso gli intercooler per assorbire il calore non necessario dalla carica d'aria in entrata. Su molti motori con intercooler o postrefrigeratore, questo calore extra viene inviato al sistema dell'acqua di servizio/grezza da uno scambiatore di calore separato. Questo è un bene perché l'acqua nell'intercooler dovrebbe essere raffreddata a una temperatura inferiore a quella dell'acqua nel sistema dell'acqua della camicia. La maggior parte dei motori ALCO utilizza il sistema dell'acqua della camicia per raffreddare l'acqua nell'intercooler.

Serbatoio di espansione - Molti motori utilizzano un vaso di espansione con chiusura pressurizzata, oppure il serbatoio di espansione è montato abbastanza in alto da mantenere la prevalenza richiesta (prevalenza netta positiva - NPSH) sul sistema. Il più delle volte, il vaso di espansione è posizionato appena sopra il punto più alto del sistema dell'acqua di raffreddamento della camicia e vengono utilizzate linee di sfiato per mantenere il sistema privo di aria. Alcuni serbatoi di espansione possono essere pompati per mantenere una pressione più elevata, che aiuta ad aumentare il punto di ebollizione del fluido di raffreddamento.

Un tubo di livello è un serbatoio installato verticalmente e si trova alla stessa altezza del motore. Contiene il liquido di raffreddamento del motore e ha uno spazio per l'aria per compensare l'espansione del liquido di raffreddamento quando si surriscalda.
I tubi di livello sono generalmente sfiatati nell'aria, creando un sistema di raffreddamento che non è sotto pressione. Il livello dell'acqua nel tubo di livello deve essere abbastanza alto da raggiungere l'NPSH richiesto, oppure il serbatoio deve essere pressurizzato.

Pompa dell'acqua della camicia: il motore aziona la pompa dell'acqua della camicia centrifuga monostadio, che è alimentata dall'albero motore del motore attraverso una serie di ingranaggi.

Come visto, l'acqua entra nell'ingresso di aspirazione della pompa. Il treno di ingranaggi del motore aziona l'ingranaggio conduttore della pompa, che a sua volta fa ruotare l'albero e la girante della pompa. La velocità del liquido di raffreddamento viene aumentata dalla forza centrifuga quando la girante gira. Quando il refrigerante entra nel corpo pompa, la sua velocità diminuisce e la sua pressione aumenta proporzionalmente. Il refrigerante fuoriesce dal corpo della pompa nel collettore dell'acqua della camicia fino all'estremità inferiore delle canne dei cilindri a una pressione maggiore.

Il refrigerante per il motore sale attraverso la parte inferiore della valvola di controllo termostatico. Quando la temperatura del liquido di raffreddamento è bassa, come mostrato sul lato destro del diagramma, l'otturatore della valvola scorrevole rimane nella posizione sollevata e il liquido di raffreddamento gira intorno allo scambiatore di calore.
All'aumentare della temperatura del liquido di raffreddamento, i granuli di cera all'interno degli elementi di controllo della temperatura si espandono. Questo spinge verso il basso il tubo dell'elemento e l'otturatore della valvola. Quindi, il flusso attraverso il bypass viene limitato o strozzato, come mostrato sul lato sinistro del diagramma, e il refrigerante viene inviato allo scambiatore di calore.
In uso, la valvola cambia posizione in un intervallo di temperatura compreso tra circa 10 e 150 gradi Fahrenheit per mantenere la temperatura del refrigerante abbastanza stabile.

Scambiatore di calore ad acqua a camicia - Gli scambiatori di calore ad acqua a camicia sono generalmente costituiti da un guscio e tubi. Sul lato del guscio, il liquido di raffreddamento del motore di solito scorre sui tubi, mentre l'acqua di servizio scorre attraverso i tubi.

Sistemi di tenuta al caldo della giacca
Quando un motore viene spento per un po', la temperatura all'interno del motore scende di molto. L'avvio e il caricamento rapidi di un motore freddo, tipico dei diesel per applicazioni nucleari in situazioni di emergenza, sottopongono il motore a un notevole stress e lo consumano più rapidamente finché non raggiunge la normale temperatura di esercizio.
Il sistema di mantenimento in caldo dell'acqua della giacca è mostrato sullo stesso piano del sistema di raffreddamento ad acqua della giacca standard. Questa parte mantiene la temperatura del liquido di raffreddamento del motore pari o vicina alla normale temperatura di esercizio. Ciò non significa che tutte le parti siano alla loro temperatura normale.
Poiché i motori diesel utilizzano il calore della compressione per avviarsi, mantenere il motore caldo lo fa partire molto più velocemente e rende meno probabile che il motore non si avvii perché la temperatura dell'aria aspirata è troppo bassa.

Pompa di mantenimento in caldo: la pompa di mantenimento in caldo è una pompa centrifuga monostadio alimentata da elettricità. È simile alla pompa azionata dal motore in quanto mantiene il refrigerante riscaldato in movimento attraverso il motore anche quando il motore è spento.

Riscaldatore di mantenimento in caldo: il riscaldatore di mantenimento in caldo della giacca è un riscaldatore elettrico a immersione, proprio come il riscaldatore di mantenimento in caldo dell'olio lubrificante.
Viene inserito in un tubo di livello separato o in un serbatoio di riscaldamento. È controllato da un termostato per mantenere il motore alla giusta temperatura.

Come funziona il sistema: Quando il motore è in modalità "standby", il sistema "keepwarm" si accende. La pompa di mantenimento del calore crea un vuoto nel sistema e invia l'acqua nella presa d'acqua della camicia del motore. Quando il motore è in funzione, le valvole di ritegno possono essere inserite nel sistema di mantenimento del calore per arrestare il flusso nella direzione sbagliata. Il refrigerante riscaldato scorre attraverso il motore, riscaldando i cilindri, le teste dei cilindri e altre parti raffreddate dall'acqua.

Sistema per il raffreddamento dell'acqua
Il sistema dell'acqua dell'intercooler fornisce acqua all'intercooler o al postrefrigeratore, installato sui tubi di aspirazione dell'aria di combustione del motore. È uno scambiatore di calore simile a un radiatore che raffredda l'aria comburente dopo il compressore del turbocompressore e prima del collettore aria/plenum del motore.
Il raffreddamento rende l'aria più densa, il che consente a più ossigeno di bruciare più carburante e produrre più potenza. Inoltre l'aria comburente raffredda il cielo dei pistoni.
L'acqua utilizzata per l'intercooler deve tipicamente essere abbastanza vicina alla temperatura dell'aria circostante. Per questo motivo, di solito è meglio usare l'acqua di servizio invece dell'acqua della camicia, che ha una temperatura molto più alta (da 160 a 180oF).
Un tipico schema del sistema dell'acqua dell'intercooler e dell'aftercooler
Poiché queste parti sono le stesse utilizzate nel sistema idrico della giacca, non ne parleremo più.
In alcuni sistemi ad acqua dell'intercooler, è possibile utilizzare un termostato per evitare che l'acqua dell'intercooler si raffreddi troppo, specialmente quando fa freddo o quando il motore non sta facendo molto lavoro. Ciò impedisce il più possibile la condensazione dell'umidità nell'aria di combustione. In alcuni sistemi, il sistema dell'acqua della camicia e il sistema dell'acqua dell'intercooler sono collegati in modo che l'intercooler possa essere riscaldato quando necessario.
Se l'aria di combustione che entra nel motore è troppo fredda, l'avvio del motore potrebbe richiedere più tempo, potrebbe non funzionare bene quando il carico è basso e la camicia del cilindro potrebbe non essere ben lubrificata. Per mitigare questo impatto, diversi produttori limitano termostaticamente il flusso dell'acqua di raffreddamento all'intercooler e/o forniscono acqua calda della camicia, se necessario.
La valvola termostatica nel circuito impedisce che l'acqua nell'intercooler si raffreddi troppo, impedendo che anche l'aria che entra nel motore si raffreddi troppo. Quando l'aria è troppo fredda, può causare la formazione di condensa nel motore e la fuoriuscita di fumo "bianco" dal tubo di scappamento.

Altre cose che lo rendono cool
Il più delle volte, il generatore diesel è custodito in un edificio con poche aperture.
Ci sono diverse fonti di calore nella stanza EDG, come il motore e il generatore. Per ottenere le migliori prestazioni, il quadro elettrico, i pannelli di controllo, l'apparecchiatura di monitoraggio, il serbatoio giornaliero del combustibile, i compressori d'aria e i serbatoi di stoccaggio dell'aria in quest'area devono essere mantenuti a una temperatura fredda.
La stanza EDG non può diventare più calda di 122 gradi F (50 gradi). Pertanto, è necessario introdurre abbastanza aria fresca (aria ambiente) per eliminare il calore e mantenere la temperatura della stanza al di sotto del livello massimo consentito. Anche se la temperatura ambiente non ha un grande effetto sul motore stesso, temperature ambiente EDG molto elevate possono avere un effetto sul generatore e su altre parti. Se l'aria per la combustione del motore proviene dall'ambiente, l'aria calda che entra nel motore può renderlo meno potente.