Integración de intercambiadores de calor de placas en los sistemas de refrigeración de motores

Los sistemas de refrigeración de motores marinos son el corazón y el alma de los sistemas de propulsión y generación de energía a bordo de una embarcación. En una era caracterizada por densidades de potencia cada vez mayores y una agenda de emisiones más estricta, la importancia y los desafíos asociados con la gestión térmica del motor se han ampliado. La proliferación de intercambiadores de calor de placas (PHE), como selección óptima para la refrigeración de motores —debido a su eficiencia en la transferencia de calor y su tamaño compacto—, junto con la necesidad de acoplar con precisión todas las propiedades hidráulicas, materiales y operativas del sistema para lograr una mayor durabilidad, se ha convertido en una práctica estándar.

¿Por qué intercambiadores de calor de placas para motores marinos?

En comparación con un intercambiador de calor de carcasa y tubos tradicional, un intercambiador de calor de placas transfiere hasta cinco veces más el coeficiente de transferencia de calor gracias a la turbulencia inducida por las placas corrugadas. La eficiencia del PHE tiene como resultado directo un tamaño y un peso mucho menores, lo cual constituye una consideración crítica para motores marinos con restricciones de espacio. Gracias a su diseño modular, se pueden instalar fácilmente placas adicionales si se requiere una mayor transferencia de calor debido a cargas variables en el motor o a la demanda del sistema de refrigeración. El reducido salto térmico en los PHE facilita un enfriamiento más eficaz del agua de camisa y del aceite lubricante, optimizando así el rendimiento y la durabilidad del sistema de combustión del motor.

Puntos clave de integración en el circuito de refrigeración

Los motores marinos cuentan con un sistema de refrigeración de dos circuitos: un circuito de agua dulce de alta temperatura que enfría el bloque del motor y un circuito de agua de mar de baja temperatura que elimina el calor transferido desde el agua dulce mediante un intercambiador central. Los intercambiadores de calor de placas pueden cumplir dos funciones en este sistema: como enfriador principal del agua de camisa del motor o como enfriador del aceite lubricante. Como enfriador principal del agua de camisa del motor, el PHE transfiere calor desde el circuito de agua dulce al agua de mar y mantiene la temperatura del agua de camisa dentro del rango operativo de 75 °C a 85 °C.

El PHE como enfriador del aceite lubricante regula la temperatura del aceite lubricante en, o por debajo de, una temperatura específica para mantener la viscosidad adecuada.

Además de enfriar el agua del manguito y el aceite lubricante, los intercambiadores de calor de placas (PHE) también se utilizan para enfriar el aire de sobrealimentación del turbocompresor en un circuito similar, con el fin de aumentar la densidad del aire que entra en el motor y, por ende, mejorar la eficiencia de la combustión. Cada una de estas aplicaciones presenta distintas presiones, temperaturas y características de ensuciamiento, lo que determina el dimensionamiento del sistema.

Consideraciones sobre materiales y diseño para servicio marino

Debido al entorno corrosivo del agua de mar en aplicaciones marinas, la selección cuidadosa de los materiales adecuados para las placas es fundamental. El titanio puede ofrecer la mejor protección contra la corrosión por picaduras, la corrosión por grietas y la corrosión galvánica inducida por cloruros, típicas en corrientes cálidas de agua de mar clorada. El acero inoxidable 316L suele especificarse en el lado de agua dulce del intercambiador de calor de placas (PHE) a un costo mucho menor, al tiempo que brinda una buena resistencia a la corrosión. Para corrientes de agua dulce más corrosivas o aceites lubricantes, se pueden especificar la aleación 254 o el acero dúplex, que ofrecen mayor resistencia mecánica y mayor resistencia a la corrosión. La selección del material del empaque también debe considerar factores combinados, como las variaciones cíclicas de temperatura, la química del fluido y el efecto del asentamiento por compresión.

Los materiales comúnmente seleccionados para los intercambiadores de calor de placas (PHE) son el nitrilo, el EPDM y el FKM (Viton), cada uno con distintos rangos de temperatura de operación y resistencias a determinadas químicas de fluidos. Cabe señalar que la caída de presión a través de un PHE debe limitarse a aproximadamente 1-2 bares en ambos circuitos para evitar la sobrecarga de las bombas o condiciones de bajo caudal.

Hidráulica del sistema y mejores prácticas de instalación

El uso correcto del paquete de placas de un PHE va más allá. La hidráulica y el diseño del sistema tienen implicaciones significativas para el funcionamiento adecuado del intercambiador de calor. Debe diseñarse para reducir la cantidad de tuberías y facilitar el acceso al conjunto de placas para su mantenimiento. La orientación y colocación óptimas del PHE deben minimizar la longitud de las tuberías y permitir un fácil acceso para la limpieza del conjunto de placas, ya que un PHE debe drenarse para permitir la extracción del conjunto.

La práctica estándar exige colocar el intercambiador de calor de placas (PHE) en posición vertical para permitir un drenaje adecuado de cualquiera de los circuitos y la expulsión del aire atrapado. Se deben instalar filtros en ambas corrientes de fluido, justo antes de la entrada del PHE, para proteger las placas y el sistema de juntas contra contaminantes y daños. Las temperaturas y presiones deben supervisarse en ambos circuitos mediante manómetros ubicados adecuadamente, y debe tenerse en cuenta la expansión térmica de ambos circuitos de fluido, ya sea mediante bucles de expansión o conexiones flexibles en las tuberías, a fin de evitar tensiones excesivas en los pernos de sujeción del PHE. En embarcaciones con múltiples motores y sus respectivos PHE, debe instalarse una válvula que permita aislar y mantener un PHE sin necesidad de sacar la embarcación de servicio.

Supervisión del rendimiento e integración del mantenimiento

La integración del sistema de un intercambiador de calor de placas (PHE) no es una operación de "instalar y olvidar", sino que debe incluir la supervisión de los parámetros operativos del PHE para garantizar que funcione con la eficiencia prevista en su diseño. Los indicadores de alerta son desviaciones significativas respecto a los valores establecidos para la temperatura del fluido de salida, un aumento progresivo de la caída de presión en cualquiera de los circuitos y el seguimiento de la tasa de entrada de agua de mar al circuito de agua dulce. Si se observa una degradación del rendimiento, una limpieza química del PHE restablecerá su eficiencia original de transferencia de calor en caso de ensuciamiento orgánico, mientras que una limpieza a alta presión y alta temperatura puede emplearse para eliminar las incrustaciones. Al incluir un programa de mantenimiento rutinario —ejecutado simultáneamente con los periodos de mantenimiento del motor— se reduce la cantidad de tiempos de inactividad no programados y se incrementa la vida útil efectiva de las placas y las juntas.

Conclusión

Elegir integrar intercambiadores de calor de placas en sus motores marinos proporciona condiciones óptimas, garantizando el máximo grado de transferencia de calor en los espacios más reducidos, al tiempo que permite niveles increíbles de flexibilidad en cuanto a capacidad. El Grupo SME lleva más de veinte años activo en ingeniería marina y cuenta con la certificación ISO de su sistema de calidad para sistemas completos de refrigeración, lo que garantiza una gestión minuciosa, incluso en trabajos de modernización (Retrofits). Además, una instalación de 5.000 m² con cien ingenieros y técnicos permite a SME ejecutar todos sus proyectos marinos bajo el lema «Beyond Concern», ayudándole y atendiendo aproximadamente mil embarcaciones cada año con sistemas y recambios originales. El Grupo SME es el colaborador ideal para optimizar tanto el rendimiento como la vida útil de los sistemas de refrigeración de sus motores marinos; no dude en contactarnos para analizar con nosotros los detalles de sus próximos proyectos y así poder ofrecerle una cotización para su Sistema de Refrigeración Marina.