Nuevos requisitos del sistema de refrigeración para generadores híbridos HVO/biodiesel

Cambiar un grupo electrógeno a HVO, biodiésel basado en FAME o una mezcla de ambos a menudo se describe como una simple transición "directa". Para el sistema de combustible, esa descripción es en gran medida precisa. En el caso del sistema de refrigeración esto sólo es cierto en parte. El funcionamiento con biocombustibles introduce un conjunto específico de consideraciones térmicas, químicas y de compatibilidad de materiales que, si se ignoran, pueden reducir la vida útil del radiador, comprometer el rendimiento del refrigerante y crear eventos de sobrecalentamiento inesperados en el peor momento posible.

Cómo el HVO y el biodiesel cambian el perfil térmico del motor

El HVO (aceite vegetal hidrotratado) y el diésel convencional comparten una estructura de hidrocarburos muy similar. En términos prácticos, un generador que funciona con 100% HVO produce una carga de rechazo de calor dentro de aproximadamente el 2 al 3% de su línea base de diésel — una diferencia demasiado pequeña para requerir un cambio de tamaño del radiador en la mayoría de las instalaciones. La razón principal es la densidad de energía ligeramente menor del HVO (aproximadamente 34,4 MJ/L frente a 35,7 MJ/L del diésel), lo que provoca un aumento marginal en el consumo de combustible por kWh generado y, por lo tanto, un aumento marginal en el calor total rechazado al circuito de refrigeración.

El biodiesel a base de FAME (éster metílico de ácidos grasos) se comporta de manera diferente. Su estructura molecular que contiene oxígeno altera las características de combustión de maneras que son importantes para los ingenieros de sistemas de refrigeración:

• Temperaturas de combustión más altas a media carga: El contenido de oxígeno en las moléculas de FAME favorece una combustión más completa, lo que puede elevar las temperaturas máximas dentro del cilindro y transferir una mayor proporción de calor al circuito de refrigeración en lugar de a la corriente de escape.
• Mayor consumo de combustible en mezclas altas de FAME: Las mezclas B20 (20 % FAME) suelen mostrar un aumento en el consumo de combustible del 1 al 2 %. B100 puede mostrar aumentos del 8 al 12%, directamente proporcionales a la carga adicional de rechazo de calor impuesta al radiador.
• Inestabilidad de la relación de mezcla en operación híbrida: Los grupos electrógenos que funcionan con mezclas variables de HVO/FAME, donde la relación de mezcla cambia entre las entregas de combustible, experimentarán una carga térmica fluctuante. Los radiadores de capacidad fija dimensionados para diésel pueden funcionar más cerca de su margen de lo que los operadores creen.

La conclusión práctica: el funcionamiento únicamente con HVO no requiere cambiar el tamaño del sistema de refrigeración. Las mezclas FAME por encima de B20, particularmente en aplicaciones de energía primaria que funcionan con una carga alta sostenida, justifican un nuevo cálculo formal del rechazo de calor antes de comprometerse con el cambio de combustible.

Compatibilidad con refrigerantes: qué cambia con el funcionamiento con biocombustibles

El refrigerante en sí es el aspecto que con más frecuencia se pasa por alto en la transición a los biocombustibles. La mayoría de los grupos electrógenos llegan de fábrica llenos de un refrigerante de tecnología de aditivos inorgánicos (IAT) convencional, que utiliza inhibidores de silicatos y fosfatos para proteger las superficies metálicas. Estos inhibidores fueron formulados para la química de la combustión de diésel e interactúan mal con la contaminación del biodiésel FAME.

El biodiesel FAME es higroscópico: absorbe la humedad de la atmósfera durante el almacenamiento y el funcionamiento. En motores con cualquier ruta de combustión hacia el circuito de refrigerante, pequeñas cantidades de productos de oxidación FAME, principalmente ácidos orgánicos de cadena corta, pueden ingresar al refrigerante. Estos ácidos aceleran el agotamiento de los inhibidores de silicatos, reducen el pH del refrigerante y convierten un fluido protector en uno ligeramente corrosivo.

Para cualquier grupo electrógeno que funcione con mezclas FAME superiores a B10, actualice la especificación del refrigerante a OAT (tecnología de ácido orgánico) o HOAT (OAT híbrido). antes de realizar el cambio de combustible. Los refrigerantes OAT utilizan inhibidores de carboxilato que son químicamente resistentes a la contaminación por ácidos orgánicos, mantienen un pH estable en una gama más amplia de condiciones y brindan una protección superior a largo plazo para las superficies de los intercambiadores de calor de aluminio. También amplían los intervalos de servicio del ciclo IAT típico de 2 años a 4 o 5 años, lo que reduce los gastos generales de mantenimiento.

Para el funcionamiento exclusivo con HVO, la especificación del refrigerante existente es generalmente adecuada, pero la transición es una buena oportunidad para verificar la condición del refrigerante (verificar el pH, la concentración del inhibidor y el punto de congelación) y reemplazarlo si el líquido tiene más de dos años.

Selección de materiales de radiadores para entornos de biocombustibles

No todos los materiales del núcleo del radiador responden de la misma manera a las condiciones de funcionamiento del biocombustible. La distinción es más importante cuando el biodiesel FAME forma parte de la combinación de combustibles.

Los núcleos de radiadores tradicionales de cobre y latón utilizan soldadura blanda (aleación de estaño y plomo) para unir los tubos a los cabezales. La combustión de FAME produce pequeñas cantidades de ácido fórmico y acético como subproductos de la oxidación. Durante miles de horas de funcionamiento, estos compuestos, incluso en concentraciones mínimas en el refrigerante, pueden atacar las uniones de soldadura blanda, provocando una degradación progresiva de las uniones y eventuales fugas de refrigerante en las uniones del tubo al cabezal. Este modo de falla es lento y a menudo pasa desapercibido hasta que aparece una fuga visible.

La construcción del núcleo totalmente soldado de aluminio es el material preferido para los grupos electrógenos que funcionan con combustibles que contienen FAME. Las uniones soldadas de aluminio utilizan una aleación de relleno de aluminio y silicio que es químicamente resistente al ambiente de ácidos orgánicos asociado con la operación de biodiesel. Los núcleos de aluminio también ofrecen una mejor relación resistencia-peso y una conductividad térmica superior en comparación con los diseños de cobre y latón con volúmenes de núcleo equivalentes. Para instalaciones que planifican una estrategia de biocombustibles a largo plazo, especificar un radiador de grupo electrógeno totalmente de aluminio desde el principio elimina por completo el riesgo de corrosión de la soldadura.

Para los grupos electrógenos con radiadores híbridos de aluminio y plástico existentes, donde se combina un núcleo de aluminio con tanques terminales de polímero, la principal preocupación se traslada a la junta del tanque al núcleo y los materiales de las juntas tóricas. Los sellos EPDM estándar son compatibles tanto con HVO como con FAME. Sin embargo, los sellos de neopreno o caucho de nitrilo pueden hincharse y ablandarse cuando se exponen a mezclas con alto contenido de FAME durante períodos prolongados. Antes de comprometerse con mezclas B20 o superiores en un radiador de aluminio y plástico, verifique la especificación del material del sello con el fabricante del radiador. Para obtener un desglose detallado de la construcción de aluminio y plástico y su comportamiento a la corrosión en diferentes entornos de combustible, consulte nuestra guía de corrosión del radiador de aluminio y plástico .

Dimensionamiento del rechazo de calor: ¿Necesita un radiador más grande?

Esta es la primera pregunta que hacen la mayoría de los operadores y la respuesta depende completamente del tipo de combustible, la proporción de mezcla y el perfil de carga operativa.

El umbral de cambio de tamaño no se trata simplemente de la carga promedio: se trata de una carga máxima sostenida. Un grupo electrógeno que funciona con una carga promedio del 70% con picos ocasionales hasta alcanzar la potencia nominal máxima puede funcionar de manera segura en B20 con su radiador existente. La misma unidad en una función de energía principal continua con una carga del 85% al ​​100% tendrá un margen térmico más estrecho, y el rechazo de calor adicional de una mezcla B20 podría empujar las temperaturas del refrigerante a la zona de advertencia en días calurosos.

Para las instalaciones de energía primaria que planean operar con mezclas FAME superiores a B20, el único método confiable es un cálculo térmico dedicado que utiliza los datos de rechazo de calor del fabricante del motor en la especificación de combustible objetivo. Diseñado específicamente radiadores del generador de energía principal están diseñados con mayor profundidad de núcleo y mayor densidad de aletas para manejar exactamente estas elevadas cargas de rechazo de calor de servicio continuo.

Lista de verificación práctica de adaptación para grupos electrógenos existentes

Antes de que el primer tanque de HVO o mezcla de biodiesel entre en servicio, siga los siguientes pasos para confirmar que el sistema de enfriamiento esté listo:

1. Identifique el material del núcleo de su radiador. Los núcleos de cobre y latón con juntas de soldadura blanda deben inspeccionarse para detectar corrosión existente y considerarse su reemplazo si el grupo electrógeno funcionará con mezclas FAME superiores a B10 a largo plazo. Los núcleos soldados totalmente de aluminio no requieren modificación.
2. Verifique los materiales del sello y la junta. Verifique los sellos del tanque del extremo del radiador y todas las conexiones de las mangueras de refrigerante. Reemplace cualquier componente de neopreno o nitrilo con equivalentes de EPDM antes de cambiar a combustibles que contengan FAME.
3. Actualice la especificación del refrigerante si es necesario. Drene y enjuague el refrigerante existente si cambia de IAT a OAT/HOAT. No se limite a rellenar: la mezcla de sustancias químicas del inhibidor puede provocar la pérdida del inhibidor y la formación de lodos.
4. Vuelva a calcular el rechazo de calor si utiliza mezclas B20 o superiores. Utilice las cifras de rechazo de calor de la hoja de datos del motor ajustadas para la menor densidad de energía del combustible y la mayor tasa de consumo de combustible. Compare el resultado con la capacidad de enfriamiento nominal de su radiador a temperatura ambiente máxima.
5. Supervise de cerca durante las primeras 250 horas de funcionamiento. Después del cambio de combustible, controle la temperatura del refrigerante a plena carga, inspeccione si hay nuevas filtraciones en las juntas del radiador y las conexiones de las mangueras, y vuelva a verificar el pH del refrigerante en la marca de las 250 horas. Esta ventana de monitoreo inicial detecta la mayoría de los problemas de compatibilidad antes de que se conviertan en fallas graves.