3. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL MOTOR 3.1 TRANSFERENCIA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA CA LORÍFICA Todos los motores deben poder disipar el calor generado en el proceso de combustión y también de la fricción entre las partes en movimiento. Los sistemas de enfriamiento permiten que el motor irradie el calor de diferentes formas. Los componentes del cilindro del motor (pistón, válvulas y culatas deben enfriarse de forma apropiada para permitir prolongar la vida en servicio de los componentes del motor. El enfriamiento se proporciona alrededor de estas piezas con una serie de conductos alrededor del motor. Este sistema de enfriamiento se conoce como enfriamiento con agua de las camisas. El enfriamiento con agua de las camisas es uno de los tres requisitos principales del enfriamiento, los dos restantes son el post-enfriamiento y el enfriamiento del aceite Durante la operación, todos los motores de combustión interna generan calor y trabajo, la figura 3.1 muestra que del 100% del calor que se genera del combustible y el aire de combustión sólo alrededor el 33% de este calor total se convierte en trabajo útil al volante. Aproximadamente el 30% es expulsado a través través de los gases de escape, mientras mientras que otro 7% 7% se irradia directamente en el atmósfera a partir de l as superficies del motor. El restante 30% debe ser disipado a través del sistema de refrigeración.
Figura 3.1. Pérdidas de energía calorífica en el motor.
3.2 FUNCIONES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO El sistema de enfriamiento ejecuta muchas funciones para la correcta operación del m otor. Las tres principales funciones son: 1.
Mantener la apropiada temperatura del motor para un óptimo desempeño. desempeño.
2.
Enfriar el aire comprimido de admisión para optimizar la combustión.
3. Disipar el exceso de calor de otros componentes componentes del motor como el aceite lubricante, aceite de la dirección y del ventilador hidráulico, turbocargador y aceite de transmisión.
3.3 TIPOS DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO Basándose en el fluido de trabajo, el sistema de enfriamiento puede ser de dos tipos: 1. Sistemas de enfriamiento por aire. 2. Sistemas de enfriamiento por líquido.
El sistema de enfriamiento por aire se utiliza solamente en motores pequeños, porque resulta complicado hacer que el aire llegue a todas las partes de un motor grande que tienen que enfriarse. El aire se distribuye por medio de una turbina movilizada mecánicamente por fajas o cadenas.
3.3.1 SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO Suele ser a base de agua, la cual circula por cámaras que rodean los cilindros y otras piezas que se calientan. El agua se encarga de absorber el calor generado por la combustión y la fricción y transporta este calor para ser disipado por otro dispositivo de transferencia de calor como intercambiadores de calor o radiadores. En este capítulo nos ocuparemos exclusivamente de los sistemas de refrigeración por líquido ya que es el más utilizado en la mayoría de motores utilizados por vehículos, maquinaria y equipos industriales estacionarios. A su vez los sistemas de enfriamiento por líquido pueden ser de dos tipos básicos: 1.
Sistema Abierto.
2.
Sistema Cerrado.
Los sistemas de enfriamiento abiertos por líquido comprenden usar torres de enfriamiento (sin intercambiador de calor), estanques en spray y cuerpos de agua por lo que el agua de enfriamiento es expuesta directamente al aire y es enfriada por evaporación y transferencia de calor agua-aire. Alrededor del 75% del calor total es removido por evaporación y 25% por convección. Este proceso de enfriamiento con agua no tratada puede resultar en acumulación de incrustaciones, corrosión y erosión de las camisas de agua, lo que reduce la eficiencia del sistema de enfriamiento y compromete la vida útil del motor por lo tanto este sistema no es recomendado para motores Diesel. Los sistemas de enfriamiento cerrados por líquido incluyen intercambiador de calor tales como radiadores y enfriadores. En este sistema el refrigerante es tratado apropiadamente eliminando virtualmente la formación de incrustaciones y la corrosión ya que el fluido refrigerante no está en contacto con el aire, aunque, es enfriado por un proceso de transferencia de calor a un medio de enfriamiento, usualmente agua o aire. Además la cantidad de refrigerante en el sistema cerrado es menor y confinado y puede ser económicamente tratado. El radiador es el más común tipo de sistema cerrado.
3.4 COMPONENTES DE TRANSFERENCIA DEL CALOR NO APROVECHADO Existen tres componentes usados para la transferencia de calor desde el motor en sistemas de enfriamiento cerrados: 1.
Camisas de agua.
2.
Enfriador de aceite.
3. Postenfriador. Los componentes son utilizados en varias combinaciones para asegurar el enfriamiento apropiado del motor.
3.4.1 CAMISAS DE AGUA La figuras 3.2 y 3.3 muestran las camisas de agua típicas en un motor Caterpillar. Las camisas de agua son una serie de cavidades y pasajes internos en el bloque de cilindros y la culata que transportan el refrigerante a través de todo el motor. El calor es transferido desde el motor al refrigerante y este lo transporta hacia el radiador o dispositivo similar para disipar ese calor. El refrigerante del las camisas de agua es a menudo circulado
Figura 3.2. La flecha señala los pasajes internos
Figura 3.3. Camisas de agua, en color
por donde circula el refrigerante en el bloque
verde, en la culata y en el bloque del
para enfriar las camisas de cilindros.
motor.
3.4.2 POSTENFRIADOR La temperatura del aire de admisión se incrementa cuando es comprimido por el turbocompresor. En un motor Diesel el postenfriador (figura 3.4) es usado para reducir la temperatura del aire de admisión para una mejor combustión. Refrigerante es transportado por el postenfriador para absorber el calor del aire comprimido de admisión. El ensuciamiento interno del postenfriador es una amenaza para el rendimiento de éste. Si se acumula aceite o suciedad en el interior del núcleo
del postenfriador, la transferencia de calor al refrigerante es reducido y la temperatura del aire de admisión se elevará. Esto puede elevar la temperatura del pistón y reducir la potencia del motor.
Figura 3.4. Postenfriador de aire-agua.
Figura 3.5. Enfriador de aceite de motor.
3.4.3 ENFRIADOR DE ACEITE En la figura 3.5 se muestra el enfriador de aceite utilizado en un motor Caterpillar. El sistema de lubricación de un motor moderno hace más que reducir la fricción entre las partes en movimiento; también enfría las partes internas del motor, las cuales no pueden ser directamente enfriadas por las camisas de agua. El calor es transferido al aceite lubricante a medida que pasa por los componentes internos del motor tales como los casquetes y pistones. El enfriador de aceite es usado para disipar el calor del aceite para mantenerlo en óptimas temperaturas para una lubricación apropiada evitando así su degradación.
3.5 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CERRADO CON RADIADOR La figura 3.6 muestra los componentes de un sistema de enfriamiento cerrado con radiador. En funcionamiento, la bomba de agua empuja refrigerante a través del enfriador de aceite del motor y entra al bloque de cilindros, fluye a través del bloque de cilindros y entra a la culata donde fluye a la áreas calientes de esta. Los componentes adicionales que van a transferir calor al líquido refrigerante son: el postenfriador, múltiples de escape enfriados por agua, turbocompresores refrigerados por agua, y enfriadores de aceite del motor. Después de fluir a través de la culata, el refrigerante entra en la carcasa del regulador de temperatura. Cuando el motor está frío, el regulador de temperatura se desvía del radiador y dirije el refrigerante de regreso a la bomba de agua. A medida que la temperatura del refrigerante desviado aumenta, el regulador de temperatura comienza a abrir y permite que cierto flujo de refrigerante fluya al radiador. El regulador abre para mantener la temperatura correcta del motor. El ventilador empuja o succiona aire a través del radiador y alrededor de los tubos que se extienden desde el tanque
superior del radiador. El flujo de aire alrededor de los tubos reduce la temperatura del refrigerante, el cual, luego fluye de regreso a la bomba de agua. Ya que el refrigerante se expande a medida que es calentado, tanques de expansión se utilizan en algunas aplicaciones para contener este volumen adicional.
Camisas de agua en el bloque
Camisas de agua en la culata
Housing del termostato
Enfriador de aceite de motor
Ventilador del radiador y
Bomba de agua
Termostato de temperatura
Radiador
fajas Figura 3.6. Componentes de un sistema de enfriamiento cerrado con radiador.
3.6 INFLUENCIA DE L A TEMPERATURA EN EL FLUIDO REFRIGERANTE El sistema de refrigeración está diseñado para mantener el funcionamiento del motor dentro del rango de temperatura deseada. La temperatura del refrigerante debe permanecer alta para permitir que el motor funcione de manera eficiente. Sin embargo, la temperatura del refrigerante debe mantenerse lo suficientemente baja para prevenir que el refrigerante comience a ebullir. El sistema
de enfriamiento regula la temperatura transfiriendo el calor desde el motor al refrigerante y, finalmente, al aire (o suministro externo de agua). Los motores tienen 2 límites de temperatura de enfriamiento: 1.
El diferencial de la temperatura del agua.
2.
La temperatura máxima del agua.
El diferencial de temperatura del agua es el resultado de restar el valor de la temperatura del agua que sale del motor menos el valor de la temperatura del agua que ingresa. La mayoría de los motores operan con diferenciales de temperatura máxima del agua (entrada menos salida) de 4 °C a 8 °C (8 °F a 15 °F), es decir el valor del medidor 1 menos es valor del medidor 2 (figura 3.7).
Figura 3.7. Diferenciales de temperatura del agua.
La cantidad de transferencia de calor al radiador y al aire está directamente relacionado al diferencial de temperatura entre (4) y (2). Un incremento en este diferencial incrementa la transferencia de calor en el sistema. La temperatura del aire cuando pasa a través del radiador se elevará hasta aproximadamente la temperatura del refrigerante saliendo del radiador.
La temperatura máxima del agua está determinada por el dis eño del sistema de enfriamiento y es importante conocerla para evitar que comience a ebullir y que se forme vapor en las camisas de agua. La temperatura máxima permisible para el refrigerante de un sistema presurizado (4 psi a 7 psi) es normalmente 99 ºC (210 ºF), pero algunas aplicaciones podrían tener mayores máximos permisibles. La temperatura máxima permisible para el refrigerante de un sistema no presurizado es de 93 ºC (200 ºF). El termostato típico de de motores Diesel pesados (Excepto para camión) empieza a abrirse a 82 ºC (180 ºF) y debe estar totalmente abierto a los 92 ºC (197 º F). Para una aplicación de camiones pesados, el termostato empieza a abrirse a 88 ºC (190 ºF) y debe estar totalmente abierto a 98 ºC (208 ºF).
3.7 CONTROL DE LA TEMPERATURA La función del regulador de temperatura o termostato es controlar la temperatura mínima de funcionamiento del sistema de enfriamiento. Todos los sistemas deben tener un método para mantener la temperatura mínima de operación: Si esta temperatura no es mantenida, severos problemas de mantenimiento pueden resultar. Los termostatos suministrados por fábrica son solamente capaces de controlar la mínima temperatura del circuito de enfriamiento. La máxima temperatura debe ser controlada por el tamaño correcto del radiador, intercambiador de calor o dispositivo similar. Existen dos métodos básicos de control termostático de la mínima temperatura de operación en el sistema de enfriamiento: 1.
Control en la entrada.
2.
Control en la salida.
3.7.1 CONTROL TERMOSTÁTICO EN LA ENTRADA El método de control termostático en la entrada provee una temperatura constante en la entrada del circuito de las camisas de agua, postenfriador y/o enfriador de aceite de motor. Este diseño es utilizado para minimizar el sobreenfriamiento cuando grandes fuentes de enfriamiento son utilizadas. En este método el termostato se coloca en el flujo de entrada al tanque de expansión balanceando el agua caliente directamente desde el motor con agua helada viniendo desde un dispositivo de transferencia de calor tal como un radiador o intercambiador de calor. En general este método trabaja bien con intercambiadores de ca lor.
3.7.2 CONTROL TERMOSTÁTICO EN LA SALIDA El método de control termostático en la salida provee una temperatura de salida constante desde el motor regulando el flujo entre el bypass del termostato y el c ircuito de enfriamiento. Este método es usualmente aplicado a sistemas de enfriamiento cerrado con radiador. El termostato se coloca en el flujo de salida que viene del motor. Si la temperatura del flujo de salida llega a ser demasiado alta, más agua es permitida que fluya al sistema de enfriamiento. Si el agua es demasiado fría, el flujo es dirigido a través del bypass para que recircule al motor sin ser enfriado por el radiador. En general este método trabaja mejor con radiadores.
3.8 INFLUENCIA DE L A ALTITUD Y LA PRESIÓN EN EL FLUIDO REFRIGERANTE La temperatura de ebullición del refrigerante depende de tres factores: 1.
Presión a la que está operando el sistema de enfriamiento (figura 3.8).
2.
Altitud a la que está operando el sistema de enfriamiento.
3.
Cantidad y tipo de refrigerante en la mezcla de agua-refrigerante (ver tabla 1).
Figura 3.8. Gráfica de temperatura de ebullición vs altitud.
El aire a mayores altitudes es menos denso lo cual reduce la capacidad del sistema de refrigeración. Un radiador de mayor capacidad puede ser necesario cuando se trabaja en condiciones adversas, de lo contrario, debe disminuírsele la carga nominal al motor (derate) con el fin de evitar el sobrecalentamiento del sistema de enfriamiento. El rendimiento del sistema de enfriamiento es también influenciado por la presión de agua del sistema de enfriamiento. El primer aspecto a tener en cuenta es la presión del agua en la entrada de la bomba de agua del motor. Una mínima presión en la entrada de la bomba minimiza el fenómeno de cavitación en la bomba.
Tabla 1. Punto de ebullición del refrigerante
Figura 3.9. Tapón de presión del
basado en la concentración del glicol.
radiador. 1. Superficie de sellado, 2. Válvula de alivio de vacío.
La presión total del sistema de enfriamiento también afecta el punto de ebullición del agua. Por cada 1 psi en aumento de la presión, el punto de ebullición aumenta aproximadamente 2 °C (3 °F). Esto se convierte en un asunto crítico para motores que operan a altas altitudes. Las altitudes mayores de 3,048 metros (10,000 ft) requieren sistemas presurizados para evitar que el refrigerante alcance el punto de ebullición mucho antes de lo que debería. Para los sistemas no presurizados, el punto de ebullición es menor a más altas altitudes. Por ejemplo, a 1.800 metros (6.000 ft) sobre el nivel del mar, el agua hierve a 93 °C (200 ° F). Sin embargo, a 3700 metros (12.000 pies), el agua hierve a sólo 88 ° C (190 ° F).
3.9 CONTROL DE L A PRESIÓN Los sistemas de enfriamiento deben cumplir ambos límites máximo y mínimo de presión. La presión mínima en cualquier localización en el sistema de enfriamiento no deberá caer por debajo de la presión de vapor del refrigerante para prevenir que comience a ebullir. Sin embargo la presión en el sistema no será inferior a la presión que pueda causar que un componente no rígido colapse. Sobrecalentamiento del motor ocurre cuando el refrigerante llega a su punto de ebullición incrementando el riesgo de daños permanentes al motor. El uso de un tapón de presión (figura 3.9) con una válvula de alivio integral o válvula de alivio separado es necesario para incrementar el punto de ebullición del refrigerante. Para un sistema estándar con temperatura de salida del refrigerante de las camisas de agua hasta de 99 °C, la válvula de alivio es seteada de 4 psi a 7 psi por arriba de la presión atmosférica permitiendo presurizar al sistema y elevando el punto de ebullición del refrigerante.
3.10 CONFIGURACIONES BÁSICAS DEL CIRCUITO DE ENFRIAMIENTO Existen diferentes configuraciones para el circuito de enfriamiento, pero las más utilizadas tanto en grupos electrógenos como en equipo de m ovimiento de tierra, son las siguientes: 1.
Configuración de Circuito separado.
2.
Configuración de Postenfriamiento aire a aire (ATAAC).
3.10.1 CONFIGURACIÓN DE CIRCUITO SEPARADO Este circuito enfría las camisas de agua en un circuito y en otro circuito el postenfriador. El enfriador de aceite es parte del circuito del postenfriador en motores de la serie 3600/G3600 y parte del circuito de las camisas de agua en motores 3500/G3500 y en motores más pequeños. La figura 3.10 muestra esquemáticamente un circuito separado.
Figura 3.10. Circuito separado con control termostático a la salida.
3.10.2 POSTENFRIAMIENTO AIRE A AIRE (ATAAC) Air to Air Aftercooler Este sistema puede ser aplicado a algunos motores turbocargados y postenfriados para mejorar el consumo de combustible, reducir emisiones y en algunos casos incrementar la potencia de salida del motor. El éxito de este sistema de enfriamiento depende de la reducción de la temperatura del aire de admisión. La carga de aire caliente del turbocompresor del motor se envía hacia un enfriador de Aire Caliente conocido como enfriador de aire de carga (Charge Air Cooler-CAC), que está colocado en serie o en paralelo con el radiador convencional del motor convencional como se muestra en la figura 3.11. El ventilador del motor mueve y hace pasar aire de refrigeración a través del CAC y reduce la temperatura del aire de sobrealimentación. El Aire luego se conduce al múltiple de admisión del motor.
Figura 3.11. CAC colocado en serie y en paralelo.
La configuración en paralelo es ventajosa para aplicaciones con obstrucciones severas, ya que proporciona una superficie única de trayectoria del flujo de aire. A diferencia de la configuración en serie, la configuración en paralelo trabajará con cualquier soplador o ventilador de succión sin recolocar el CAC. La configuración en serie tiene múltiples superficies para el flujo de aire y algunos escombros pueden sobrepasar el primer núcleo, a medida que la velocidad cae cuando pasa a través del primer nú cleo, consecuentemente, el segundo núcleo se obstruirá.