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8/16/2019 monografia de sistemas de refrigeracion.pdf

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SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

Docente:

Churampi Roman, Daniel Francisco

Integrantes:

Estacio Gomez, Clinton

Chuquillanqui Camarena, Luis Eduardo

Sábado 7 de noviembre del 2015


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INTRODUCCIÓN

En la actualidad el control de la temperatura en motores diésel marinos es un tema de suma

importancia, por tal motivo el estudio de sistemas de refrigeración en los motores diésel es

un tema que no se puede tomar a la ligera, ya que un mal cálculo en estos ocasionaría

serios problemas en la operación normal de los motores.

Este trabajo mostrara algunos sistemas de enfriamiento unos más utilizados que otros en

la actualidad, además se presentara el cálculo de las áreas en un sistema de refrigeración

por quilla.


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INDICE

Contenido

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO .................................................................................................. 4

Especificaciones para el Agua refrigerante. ....................................................................... 4

Enfriamiento con agua salada solamente ........................................................................... 4

Enfriamiento por circulación de agua dulce versus agua de mar a través de unenfriador de quilla ...................................................................................................................... 4

Refrigeración del postenfriador separado de la refrigeración de camisas ................ 5

Refrigeración por agua de mar en el postenfriador .......................................................... 5

Refrigeración separada por enfriadores de quilla ............................................................. 6

Refrigeración separada con enfriador de quilla con Bypass ......................................... 7

Refrigeración por intercambiadores de calor montados en el interior ........................ 7

Dimensionamiento de los enfriadores de quillas: ............................................................. 8

Enfriadores de quillas tipo caja: ............................................................................................ 9

Transmisión de calor al mar: ................................................................................................ 12

TANQUES DE EXPANSION: ................................................................................................... 14

TANQUE DE EXPANSION AUXILIAR DEL CIRCUITO DEL AGUA DE LAS CAMISAS ....................................................................................................................................................... 15

CALCULOS Y APLICACIONES A MODO DE EJEMPLOS ................................................... 17

CONCLUSIONES: ......................................................................................................................... 25

BIBLIOGRAFIA: ............................................................................................................................. 25

ANEXO: ........................................................................................................................................... 26

MANUALES Y CATALOGOS ...................................................................................................... 26


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SISTEMAS DE ENFRIAMIENTOUn apropiado sistema de enfriamiento para una planta propulsora diésel es esencial, entremuchas otros cosas, para garantizar una vida útil satisfactoria y el desempeño ideal de lamisma. El diseño, uso y tratamiento de mantención inadecuado de estos sistemas son lacausa directa de las fallas y detención de los motores.

Especificaciones para el Agua refrigerante

Caterpillar utiliza dos clasificaciones de agua:agua dulce y agua de mar.

Enfriamiento con agua salada solamenteConsiste en hacer circular agua de mar a través de la chaqueta del motor principal,mediante una bomba, que tiene una succión directa del mar. Este sistema está obsoletodebido a los grandes problemas de corrosión que puede causar en el interior del motor,siendo reemplazado por otros sistemas más efectivos y menos agresivos galvánicamentehablando.

Enfriamiento por circulación de agua dulce versus agua de mar através de un enfriador de quillaUn enfriador de quilla es un intercambiador de calor fuera de borda, que está añadido alcasco, o construido como parte de él en la parte sumergida del buque (obra viva). El calorpresente en el agua de circulación proveniente del motor, es obligado a pasar por esteenfriador mediante una bomba acoplada al mismo motor. (FIGURA NO3).

FIGURA NO3


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Refrigeración del postenfriador separado de la refrigeración decamisasComo su nombre indica, proporciona agua al postenfriador de una fuente que no seaagua de las camisas del motor. Se utiliza para suministrar agua fría para reducir aún máslas temperaturas del aire colector de admisión. (FIGURA NO4).

FIGURA NO4

Refrigeración por agua de mar en el postenfriadorLos motores equipados con postenfriador por agua de mar usan el agua sin tratar en ellado del tubo posterior. El agua de mar se refiere no sólo al agua salada, pero tambiénincluye el agua del río, el agua del lago o cualquier fuente de agua no tratada. El uso deagua de mar para postenfriador alcanza temperaturas de entrada más bajas que las queresulten de agua de las camisas o del circuito separado del postenfriador de agua dulce.


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FIGURA NO

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Refrigeración separada por enfriadores de quillaEl uso de enfriadores de quilla en el circuito refrigerador permite una temperatura bajapara el agua dulce del sistema de circulación cerrado para ser utilizado.

FIGURA NO6


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Refrigeración separada con enfriador de quilla con BypassSistema de filtro instalado en el sistema de refrigeración. Para el desechado de materialesexternos, tal como escoria y productos de corrosión; deben ser eliminados del sistemapara evitar el desgaste y taponamiento de refrigeración de componentes del sistema.

FIGURA NO6

Refrigeración por intercambiadores de calor montados en el interiorLos intercambiadores de calor son del tipo de carcasa y tubo. El calor se transfiere desde

el agua dulce caliente que fluye a través del motor al agua de mar fría. El intercambiadorde calor enfría sistemas, por tanto requiere de una bomba de agua de mar para hacercircular el agua de mar a través de los tubos o placas del intercambiador de calor.


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FIGURA NO7

Dimensionamiento de los enfriadores de quillas:La temperatura máxima límite del agua del motor está controlada de acuerdo al tamañodel enfriador de quilla. El rango de intercambio de calor dentro de cualquier enfriador,depende principalmente en la temperatura de enfriamiento, flujo de circulación de agua deenfriamiento y superficie de intercambio de calor. Un enfriador de quilla debe operar a sumáxima capacidad cuando el buque este estático (velocidad 0 nudos).

El área mínima calculada debe incluir el factor de incrustación (fouling). Los materialesusados en la construcción de un enfriador, las condiciones de las aguas donde el buqueva a operar, y una experiencia laboral amplia son factores que influencian mucho en elcorrecto dimensionamiento de un enfriador.

Las recomendaciones que se dan en los gráficos más adelante (TABLA NO1, NO2 Y NO3),se deben aplicar solamente a los enfriadores de quilla fabricados de acero estructural(Vigas, Cañerías, etc.) soldados directamente al planchaje del casco del buque, y no así alos otros tipos de enfriadores de quilla tales como los enfriadores de quilla tipo caja. Estasrecomendaciones toman en cuenta la resistencia natural térmica a la transferencia decalor de una plancha de acero, las coberturas internas y externas de éstas, y los factoresde corrosión expuestos interna y externamente. Los coeficientes de la transferencia decalor de agua dulce circulando por el interior de las cañerías están basados para unavelocidad de 0.9 m/seg (3 ft/seg). El coeficiente de transferencia de calor del agua saladavaría dependiendo de la velocidad de operación del buque. Estos factores misceláneos yotros se convierten tan predominantes en la eficiente transferencia de calor, que el tipo dematerial utilizado y su espesor se convierten en no tan relevantes consideraciones.


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FIGURA NO8, ENFRIADOR DE QUILLA ESTRUCTURAL

Enfriadores de quillas tipo caja:Los enfriadores de quilla tipo caja son enfriadores adquiridos en el mercado y luegoapernados en la parte de la obra viva del buque. Existe una gran variedad de estosenfriadores.

Generalmente están hechos de aleaciones de cobre y níquel que inicialmente son tóxicaspara la adición de fauna marina. Ésta es una de las principales ventajas. Otra importanteventaja, es que son compactos y menos pesados comparados con los enfriadores dequilla de tipo estructural. Es muy común encontrar diferencias entre estos enfriadores dehasta un 20% de superficie de intercambio de calor mayor que de los enfriadores

fabricados y soldados al casco.


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FIGURA NO9, Enfriador de quilla tipo caja

El deterioro interno y externo de un enfriador en formas de moho, incrustaciones ypicaduras, reducen progresivamente la efectividad de los enfriadores de quilla durante unperíodo de años. También protecciones especiales como pinturas, sistemas preventivosde incrustaciones (anti-foulings) también reducen el rango de transferencia de calor.Puede tomar de 4 a 5 años un deterioro total de un enfriador de quilla. Por ende, se debeconsiderar en su diseño un buen sobre-dimensionamiento.

Debido al severo deterioro de las características de transferencia de calor asociadas conenfriadores de acero estructural, se convierte casi impracticable un adecuadodimensionamiento del enfriador. Esto es particularmente en las regiones donde lastemperaturas de agua de mar sobrepasan los 30oC. En estas regiones, se aconsejautilizar enfriadores de quilla tipo caja o box-coolers hechos de materiales resistentes a lacorrosión. Estos enfriadores pueden suministrar una mayor superficie de intercambio decalor en un volumen específico, que los enfriadores de quilla de acero estructurales.

A continuación se muestra en una hoja de trabajo para enfriadores de quilla, losparámetros mínimos que se deben manejar para dimensionar un enfriador de quilla.


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FIGURA NO10


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Transmisión de calor al mar:Cada fabricante de motor, o de enfriador de quilla tiene algún método especial para elcálculo de transmisión de calor al mar. A manera de ejemplo a continuación mostraremoslos métodos de cálculo usados por Caterpillar para obtener la transmisión de calor en unsistema de enfriamiento para una caja reductora de una planta propulsiva. Cabe señalar

que es un método de cálculo, no un ejemplo de cálculo, esto quiere decir que solo seindican las relaciones y fórmulas necesarias para hacer el cálculo, y no un ejemplonumérico.

Esta caja ofrece una eficiencia de 95% a 97%, dependiendo del factor de servicio(generalmente la mayoría de los fabricantes ofrecen el mismo rango de eficiencia).

La máxima transferencia de calor en el sistema de enfriamiento de la caja reductora de laplanta Caterpillar, es igual a la potencia transmitida desde el motor multiplicado por unfactor de pérdida de potencia.

Dónde:

H = Transferencia de Calor máxima del aceite en la caja reductora.

P = Potencia generada en el motor y trasmitida a través de la caja reductora.

F = Factor relacionado al calor generando en el aceite de caja debido a la eficiencia de latransmisión en la caja reductora.

Los factores de conversión comúnmente utilizados son los siguientes:

31.63 x kW = Btu/min

42.41 x hp = Btu/min

A continuación se muestran gráficos de recomendaciones para diseño, cabe destacar queel uso de los mismos se reduce solamente a enfriadores de quilla de tipo estructural. Entodos los gráficos se deben conocer la velocidad de servicio del buque, y la temperaturaanticipada de agua de mar en las condiciones de servicio. (TABLA NO1, NO2 Y NO3)


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TABLA NO1

TABLA NO2


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TABLA NO3

TANQUES DE EXPANSION:

Los tanques de expansión realizan las siguientes funciones:

Ventilar gases del refrigerante Para reducir la corrosión Para evitar las pérdidas del refrigerante debido al desplazamiento de los gases. Proporcionar una presión positiva a la bomba del sistema. Para evitar cavitación. Proporcionar un lugar para verificar el nivel de refrigerante del sistema. Un interruptor de alarma situado en el depósito de expansión avisara

inmediatamente en caso de pérdida de refrigerante.


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7. Nivel normal de agua8. Nivel de relleno de agua9. Tubo de purga de aire10. Conectar la parte inferior del tubo de aireación de relleno al tubo de aireación que

entra en la parte trasera del tanque de expansión del motor.

Volumen de los tanques de expansión auxiliares

El volumen mínimo del tanque auxiliar deberá incluir el volumen de expansión total delsistema de agua de las camisas necesario, más el volumen de agua hasta el nivel deagua inferior o mínimo en el tanque.

Hoja de dimensionamiento de tanque de expansión auxiliar


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CALCULOS Y APLICACIONES A MODO DE EJEMPLOS

Motor Electrónico

Calculo De Enfriamiento De Motor Principal

Datos del motor

Potencia : 3512C DITA de 1400 HP @ 1600 RPM

Calor Disipado (Camisas) (HRC) : 24340.00 BTU/min (428 kW)

Calor Disipado (After) (HRA) : 15184.00 BTU/min (267 kW)

Selección Del Refrigerante

La Composición de este está hecho por un porcentaje de agua y otro de etilenglicol, esta

combinación forma un refrigerante con ciertas características apropiadas para larefrigeración.

Agua

Densidad : 8.320 lb/gal

Calor Especifico : 0.579 BTU/lb. °F

Etilenglicol


Calor Especifico : 0.998 BTU/lb. °FPor recomendación del manual de Caterpillar, el cual dice que se debe tomar unrefrigerante de 50% agua y 50% etilenglicol. Elegiremos el este último.

En el libro “El refrigerante y su motor” pag. 7 nos muestra una tabla que contiene las

temperaturas de ebullición de los refrigerantes a diferentes concentraciones, de estaseleccionaremos nuestra temperatura de refrigerante.


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Calculando la Densidad promedio del refrigerante seleccionado

ρ(water − glycol) =ρ(water) ∗ 50% + ρ(glycol) ∗ 50%

100% =

8.32 ∗ 50 + 9.313 ∗ 50

100

( − ) = . /

Ahora para el calor específico de la mezcla utilizamos el mismo criterio de la fórmula:

C.E. (water − glycol) =CE ∗ ρ(water) + CE ∗ ρ(glycol)

ρ(water) + ρ(glycol) =

0.579 ∗ 8.32 + 0.998 ∗ 9.313

8.320 + 9.313

.. ( − ) = .

. °

Valores del Obtenidos

Refrigerante 50/50



De la información obtenida del motor se sabe que el termostato se abre cuando latemperatura del refrigerante alcanza los 92°C o 198°F, siendo la temperatura de ebulliciónde la solución superior a 92°C no habrá peligro de ebullición del refrigerante.

Temperatura del mar

Se debe conocer el lugar en donde va a trabajar la embarcación para asignarle latemperatura:


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Se considera la máxima temperatura del mar de T=23°C (70°F) en el mar de Chimbote enépoca de verano.

Calculo De La Superficie Requerida Del Enfriador De Quilla

Se procede a utilizar la el grafico de temperaturas vs superficie mínima requerida delenfriador (en base al calor cedido por el agua de las camisas), teniendo en cuenta la curvade 8 nudos o más (que es la velocidad del buque) para poder encontrar la superficie relativadel enfriador de quilla (S.E.R.). El grafico a usar se encuentra en el libro ““Marine Engines

Application and Installation Guide”, pág. 134.


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T(°C) F2 (ft2 /BTU / min)

21.1 0.0078

23 0.0081

23.9 0.0083

Calculo de Área – Camisas

Calculando el factor (F2) en la grafica

F2 = 0.0081 (ft2 /BTU / min)

Calculando el Área (A2) por efecto de las camisas

A2 = HRC * F2

A2 = 24340.00 BTU/min * 0.0081 (ft2 /BTU / min)

A2 = 197.154 ft2 = 18.316 m2

Según el Manual de mantenimiento de motores marinos Caterpillar se debe agregar unfactor de ensuciamiento o de transmisión de calor a la superficie mínima requerida, siendoeste el 10% del valor calculado.

A2 (m2) = 18.316 x 1.1 = 20.147 m2


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Calculo De La Superficie Requerida Del Enfriador De Quilla De Pos-Enfriador

Nos vamos a la curva de temperaturas versus la superficie mínima requerida del enfriador(en base al calor cedido por el agua de las camisas), teniendo en cuenta la curva de 8 nudoso más (que es la velocidad del buque) para poder encontrar la superficie relativa delenfriador de quilla (S.E.R.).

T(°C) CAR (ft2 /BTU / min)

21.1 0.027

23 0.029

23.9 0.03

Calculo de Área (A1) – After Cooler


F1 = 0.029 (ft2 /BTU / min)

Calculando el Área (A1) por efecto del After Cooler

A1 = HRA * F1

A1 = 15184 BTU/min * 0.029 (ft2 /BTU / min)

A1 = 440.336 ft2 = 40.908 m2


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A1(m2) = 40.908 x 1.1 = 44.999 m2

Hoja de Cálculo para dimensionamiento del Enfriador de Quilla:

Motor Mecánico

Calculo De Enfriamiento De Motor Principal

Datos del motor

Potencia : 3512 de 1250 HP @ 1200 RPM

Calor Disipado (Camisas) (HRC) : 30255.00 BTU/min (532 kW)

Calor Disipado (Aftercooler) (HRA) : 8246.00 BTU/min (145 kW)

Refrigerante

Se utilizara el mismo refrigerante

Refrigerante 50/50



Temperatura

Se considera la máxima temperatura del mar de T=23°C (70°F) en el mar de Chimbote enépoca de verano.

Calculo De La Superficie Requerida Del Enfriador De Quilla

Calor cedido del agua de camisas 428 (24340) kw (BTU/min)

clasificacion de la velocidad del barco 8 nudos o mas

Temperatura maxima prevista del agua de mar 23(73.4) °C(°F)

superficie minima del enfriador requerida (por unidad) (0.0081) (ft2/Btu/min.)

superficie minima requerida 20.147 (216.86) m2 (ft2)

Calor cedido del aftercooler 267 (15184) Kw (BTU/min)

Clasificacion de la velocidad del Barco 8 nudos o mas


Superficie minima del enfriador requerida (por unidad) (0.029) (ft2/Btu/min.)

Superficie minima requerida 44.999 (484.365) m2 (ft2)

circuito de agua del Aftercooler

Circuito de Agua de Camisas del motor


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Tomando los mismos datos del cálculo anterior tenemos:

Calculo de Área – Camisas


F2 = 0.0081 (ft2 /BTU / min)

Calculando el Área (A2) por efecto de las camisas

A2 = HRC * F2

A2 = 30255.00 BTU/min * 0.0081 (ft2 /BTU / min)

A2 = 245.065 ft2 = 22.767 m2

Según el Manual de mantenimiento de motores marinos Caterpillar se debe agregar un

factor de ensuciamiento o de transmisión de calor a la superficie mínima requerida, siendoeste el 10% del valor calculado.

A2 (m2) = 22.767 x 1.1 = 25.044 m2

Calculo De La Superficie Requerida Del Enfriador De Quilla De Pos-Enfriador

Calculo de Área (A1) – After Cooler


F1 = 0.029 (ft2 /BTU / min)

Calculando el Área (A1) por efecto del After Cooler A1 = HRA * F1

A1 = 8246 BTU/min * 0.029 (ft2 /BTU / min)

A1 = 239.134 ft2 = 22.216 m2


A1 (m2) = 22.216 x 1.1 = 24.437 m2

Hoja de Cálculo para dimensionamiento del Enfriador de Quilla:


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Calor cedido del agua de camisas 532 (30255) kw (BTU/min)

clasificacion de la velocidad del barco 8 nudos o mas


superficie minima del enfriador requerida (por unidad) (0.0081) (ft2/Btu/min.)superficie minima requerida 25.044 (269.57) m2 (ft2)

Calor cedido del aftercooler 145 (8246.00) Kw (BTU/min)

Clasificacion de la velocidad del Barco 8 nudos o mas


Superficie minima del enfriador requerida (por unidad) (0.029) (ft2/Btu/min.)

Superficie minima requerida 24.437 (263.047) m2 (ft2)

circuito de agua del Aftercooler

Circuito de Agua de Camisas del motor


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CONCLUSIONES:• Las áreas calculadas con el procedimiento que indica el manual de Caterpillar son

mínimas, en el diseño, estas pueden ser mayores.

• El procedimiento con el cual se seleccionó el refrigerante fue de acuerdo a lasrecomendaciones del manual de Caterpillar “Cat® ELC™”

BIBLIOGRAFIA: MANTENIMIENTO, PRUEBAS E INSTALACION DE MOTORES MARINOS

CATERPILLAR – “Ing. Luis Eduardo, Ing. Augusto Ayesta.

Caterpillar_Marine_Engines_Application_and_Installation_Guide


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ANEXO:

MANUALES Y CATALOGOS


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