Comment fonctionne le système de refroidissement d'un générateur diesel ?
Comment fonctionne le système de refroidissement d'un groupe électrogène diesel ?
Ce chapitre traite des parties les plus importantes des systèmes de refroidissement des moteurs diesel et explique pourquoi chacune est importante pour le bon fonctionnement du moteur.
Refroidissement mécanique du moteur
25 à 30 % de toute la chaleur qui provient du carburant et entre dans le moteur est absorbée par le système de refroidissement.
Si cette chaleur ne se dissipe pas d'elle-même, la température interne du moteur augmentera rapidement à un point tel que des pièces se briseront et le moteur cessera de fonctionner. Tous les moteurs diesel commerciaux ont un système de refroidissement pour collecter cette chaleur et la déplacer vers un milieu qui absorbe la chaleur à l'extérieur du moteur.
De nombreux moteurs modernes sont équipés de systèmes de suralimentation qui garantissent qu'il y a suffisamment d'air pour que le carburant brûle et produise la puissance nécessaire. Le mécanisme de suralimentation rend l'air de combustion plus chaud. Avant que l'air de combustion n'entre dans les cylindres du moteur, il doit être refroidi pour s'assurer qu'il y a suffisamment de livres d'air pour brûler le carburant (pour maintenir la densité de l'air). Un échangeur de chaleur qui ressemble à un radiateur est placé dans le tuyau entre la sortie du compresseur du turbocompresseur et le collecteur d'air du moteur. C'est ce qu'on appelle un refroidisseur intermédiaire d'air ou un refroidisseur final. Le rôle de ce radiateur est d'évacuer la chaleur de l'air de combustion. Cet échangeur de chaleur peut utiliser soit le système d'eau de la chemise, soit le système d'eau de service pour obtenir son eau (la source froide ultime).
Lorsque l'eau de service est utilisée, il peut y avoir un échangeur de chaleur supplémentaire entre le système d'eau de service et le système d'eau du refroidisseur intermédiaire pour nettoyer et maintenir l'eau dans le système d'eau du refroidisseur intermédiaire afin qu'il n'endommage pas le refroidisseur intermédiaire d'air.
Fondamentaux du système de refroidissement
La plupart des moteurs diesel ont un système de refroidissement qui ressemble à une chemise et a une boucle fermée. Lorsque le liquide de refroidissement circule dans le moteur, il capte la chaleur des chemises de cylindre, des culasses et d'autres pièces.
Plus le liquide de refroidissement est froid lorsqu'il quitte le moteur, mieux le moteur fonctionnera. D'autre part, des températures de liquide de refroidissement trop élevées peuvent causer des dommages structurels en faisant surchauffer les pièces du moteur. L'huile de lubrification peut également être refroidie à l'aide d'eau de chemise et d'un échangeur de chaleur. La plupart des moteurs diesel fonctionnent mieux avec une température de refoulement de l'eau de la chemise d'environ 180 oF et une augmentation de la température à travers le moteur comprise entre 8 et 15 oF.
La plupart des moteurs diesel se refroidissent avec de l'eau comme liquide de refroidissement. Pourtant, l'eau en elle-même peut provoquer la rouille, l'accumulation de minéraux et le gel.
L'antigel, comme l'éthylène glycol ou le propylène glycol, doit être ajouté aux moteurs qui pourraient être proches ou en dessous de zéro. La solution la plus courante consiste à mélanger de l'antigel et de l'eau, qui fonctionne à des températures aussi basses que -40 degré F. L'antigel commercial contient des produits chimiques qui empêchent la rouille de se produire. L'ajout d'antigel rend plus difficile le déplacement de la chaleur.
La plupart du temps, les moteurs diesel utilisés dans les réacteurs nucléaires pour les services d'urgence ne sont pas exposés à des températures glaciales. Dans ces conditions, nul besoin d'antigel. Pourtant, la corrosion peut être arrêtée en mélangeant des produits chimiques qui arrêtent la corrosion avec de l'eau qui a été débarrassée de ses minéraux.
Chimie de l'eau : L'eau utilisée pour refroidir un moteur ne doit pas contenir de produits chimiques qui causent des dépôts ou du tartre. La plupart du temps, de l'eau déminéralisée est utilisée. Le pH de l'eau doit se situer entre 8 et 9,5.
Il est préférable d'ajouter un inhibiteur de corrosion comme Nalco 2000 pour empêcher l'accumulation de tartre sur les chemises de cylindre et les culasses. Un seizième de pouce d'échelle équivaut à ajouter un pouce d'acier au moteur pour le rendre moins susceptible de laisser passer la chaleur. Une analyse chimique du liquide de refroidissement est effectuée de temps en temps et la bonne quantité d'inhibiteur de corrosion est ajoutée pour maintenir la chimie de l'eau.
Comment garder un moteur au frais
Sur certaines configurations, l'eau dans le refroidisseur intermédiaire et l'eau dans la chemise sont refroidies par différentes parties du radiateur. La plupart du temps, le circuit d'eau de chemise est utilisé pour refroidir l'huile de lubrification dans ces situations.
À l'aide d'un vase d'expansion (également appelé "tête" ou "réservoir d'appoint"), qui est installé au-dessus du moteur pour garder une tête sur le système, le liquide de refroidissement est stocké dans le système moteur lui-même. Le moteur entraîne la pompe, qui aspire l'air du système et envoie le liquide de refroidissement au moteur. Dans la plupart des systèmes, l'eau quitte le moteur par une vanne contrôlée par un thermostat. Si l'eau est trop froide, une ligne la laisse faire le tour de l'échangeur de chaleur. L'eau passe par l'échangeur de chaleur si elle est trop chaude.
La vanne de régulation thermostatique (TCV) détecte la température du liquide de refroidissement et y réagit.
Dès que la température du liquide de refroidissement du moteur descend en dessous de la consigne de la vanne, le liquide de refroidissement est envoyé à travers l'échangeur de chaleur à eau de chemise. Lorsque la température du liquide de refroidissement est supérieure au point de consigne, la vanne envoie le liquide de refroidissement à travers l'échangeur de chaleur. La chaleur excédentaire est ensuite envoyée au système d'eau brute ou sanitaire. Lorsqu'un moteur diesel démarre, le débit d'eau sanitaire démarre de lui-même.
Par la sortie de l'échangeur de chaleur, ou ligne de dérivation, l'eau retourne à la pompe à eau de la chemise et, éventuellement, au moteur. Dans de nombreux systèmes, le système d'huile de lubrification est refroidi par un échangeur de chaleur dans le système d'eau de la chemise. Pour les moteurs où il est important de maintenir l'huile de lubrification plus froide que l'eau de la chemise, la chaleur de l'huile est envoyée directement au système d'eau de service/brute via l'échangeur de chaleur du système d'huile de lubrification.
Lorsque le liquide de refroidissement atteint le bloc-cylindres, il s'écoule à travers des canaux internes et/ou des tuyaux jusqu'au bas des chemises de cylindre. Au fur et à mesure que le liquide monte, il s'écoule autour des chemises de cylindre et dans les culasses. Lorsque le liquide de refroidissement quitte les culasses, il passe dans un collecteur de sortie puis dans la vanne thermostatique.
Sur les moteurs équipés de refroidisseurs intermédiaires ou de refroidisseurs intermédiaires, une partie de l'eau de la chemise passe par les refroidisseurs intermédiaires pour absorber la chaleur de la charge d'air entrant qui n'est pas nécessaire. Sur de nombreux moteurs équipés de refroidisseurs intermédiaires ou de refroidisseurs d'admission, cette chaleur supplémentaire est envoyée au système d'eau de service/brute par un échangeur de chaleur séparé. C'est une bonne chose car l'eau dans le refroidisseur intermédiaire doit être refroidie à une température inférieure à celle de l'eau dans le système d'eau de la chemise. La plupart des moteurs ALCO utilisent le système d'eau de chemise pour refroidir l'eau dans le refroidisseur intermédiaire.
Vase d'expansion - De nombreux moteurs utilisent un vase d'expansion avec une fermeture sous pression, ou le vase d'expansion est monté suffisamment haut pour maintenir la hauteur requise (pression positive nette - NPSH) sur le système. La plupart du temps, le vase d'expansion est placé juste au-dessus du point le plus élevé du système d'eau de refroidissement de la chemise et des conduites d'évent sont utilisées pour maintenir le système exempt d'air. Certains vases d'expansion peuvent être gonflés pour maintenir une pression plus élevée, ce qui contribue à augmenter le point d'ébullition du liquide de refroidissement.
Une colonne montante est un réservoir installé verticalement et à la même hauteur que le moteur. Il contient le liquide de refroidissement du moteur et dispose d'un espace pour que l'air compense l'expansion du liquide de refroidissement lorsqu'il devient chaud.
Les bornes-fontaines sont généralement mises à l'air libre, ce qui crée un système de refroidissement qui n'est pas sous pression. Le niveau d'eau dans la colonne montante doit être suffisamment élevé pour atteindre le NPSH requis, ou le réservoir doit être sous pression.
Pompe à eau de chemise: Le moteur entraîne la pompe à eau de chemise centrifuge à un étage, qui est alimentée par le vilebrequin du moteur à travers une série d'engrenages.
Comme on le voit, l'eau pénètre dans l'entrée d'aspiration de la pompe. Le train d'engrenages du moteur entraîne l'engrenage d'entraînement de la pompe, qui à son tour fait tourner l'arbre de la pompe et la roue. La vitesse du liquide de refroidissement est augmentée par la force centrifuge lorsque la roue tourne. Lorsque le liquide de refroidissement pénètre dans le corps de pompe, sa vitesse diminue et sa pression augmente proportionnellement. Le liquide de refroidissement se déverse du corps de pompe dans le collecteur d'eau de la chemise jusqu'à l'extrémité inférieure des chemises de cylindre à une pression plus élevée.
Le liquide de refroidissement du moteur monte par le bas de la soupape de commande thermostatique. Lorsque la température du liquide de refroidissement est basse, comme indiqué sur le côté droit du schéma, le clapet de la vanne coulissante reste en position haute et le liquide de refroidissement circule autour de l'échangeur de chaleur.
Lorsque la température du liquide de refroidissement augmente, les pastilles de cire à l'intérieur des éléments de contrôle de la température se dilatent. Cela pousse le tube de l'élément et le champignon de la valve vers le bas. Ainsi, le débit à travers la dérivation est limité ou étranglé, comme indiqué sur le côté gauche du schéma, et le liquide de refroidissement est envoyé à l'échangeur de chaleur.
En cours d'utilisation, la vanne change de position sur une plage de température d'environ 10 à 150 degrés Fahrenheit pour maintenir la température du liquide de refroidissement assez stable.
Échangeur de chaleur à eau de chemise - Les échangeurs de chaleur à eau de chemise sont généralement constitués d'une coque et de tubes. Du côté de la coque, le liquide de refroidissement du moteur s'écoule généralement sur les tubes, tandis que l'eau de service s'écoule à travers les tubes.
Systèmes de maintien au chaud de l'eau des vestes
Lorsqu'un moteur est éteint pendant un certain temps, la température à l'intérieur du moteur baisse considérablement. Le démarrage rapide et le chargement rapide d'un moteur froid, ce qui est typique des diesels d'applications nucléaires dans les situations d'urgence, soumet le moteur à de fortes contraintes et l'use plus rapidement jusqu'à ce qu'il atteigne sa température de fonctionnement normale.
Le système de maintien au chaud de l'eau de la chemise est représenté sur le même plan que le système de refroidissement de l'eau de chemise standard. Cette pièce maintient la température du liquide de refroidissement du moteur à ou près de la température de fonctionnement normale. Cela ne signifie pas que toutes les pièces sont à leur température normale.
Parce que les moteurs diesel utilisent la chaleur de la compression pour démarrer, garder le moteur chaud le fait démarrer beaucoup plus rapidement et réduit le risque que le moteur ne démarre pas parce que la température de l'air d'admission est trop basse.
Pompe de maintien au chaud : La pompe de maintien au chaud est une pompe centrifuge à un étage alimentée par l'électricité. Il est similaire à la pompe entraînée par le moteur en ce sens qu'il maintient le liquide de refroidissement chauffé en mouvement dans le moteur même lorsque le moteur est éteint.
Réchauffeur de maintien au chaud : le réchauffeur de maintien au chaud de la veste est un réchauffeur électrique de type immersion, tout comme le réchauffeur de maintien au chaud de l'huile lubrifiante.
Il est placé dans une colonne montante ou un réservoir de chauffage séparé. Il est contrôlé par un thermostat pour maintenir le moteur à la bonne température.
Fonctionnement du système : Lorsque le moteur est en mode "veille", le système "maintien au chaud" s'active. La pompe de maintien au chaud crée un vide dans le système et envoie de l'eau dans l'entrée d'eau de la chemise du moteur. Lorsque le moteur tourne, des clapets anti-retour peuvent être placés dans le système de maintien au chaud pour arrêter le débit dans la mauvaise direction. Le liquide de refroidissement chauffé circule dans le moteur, réchauffant les cylindres, les culasses et les autres pièces refroidies par l'eau.
Système d'eau de refroidissement
Le système d'eau du refroidisseur intermédiaire fournit de l'eau au refroidisseur intermédiaire ou au refroidisseur intermédiaire, qui est installé sur les tuyaux d'admission d'air de combustion du moteur. C'est un échangeur de chaleur comme un radiateur qui refroidit l'air de combustion après le compresseur du turbocompresseur et avant le collecteur d'air/plenum du moteur.
Le refroidissement rend l'air plus dense, ce qui permet à plus d'oxygène de brûler plus de carburant et de produire plus de puissance. De plus, l'air de combustion refroidit les têtes de piston.
L'eau utilisée pour le refroidissement intermédiaire doit généralement être assez proche de la température de l'air ambiant. Pour cette raison, il est généralement préférable d'utiliser de l'eau de service plutôt que de l'eau de chemise, qui a une température beaucoup plus élevée (160 à 180oF).
Un schéma typique de système d'eau de refroidisseur intermédiaire et de refroidisseur final
Parce que ces pièces sont les mêmes que celles utilisées dans le système d'eau de la chemise, nous n'en parlerons plus.
Dans certains systèmes d'eau de refroidisseur intermédiaire, un thermostat peut être utilisé pour empêcher l'eau du refroidisseur intermédiaire de devenir trop froide, en particulier par temps froid ou lorsque le moteur ne travaille pas beaucoup. Cela empêche autant que possible l'humidité de se condenser dans l'air de combustion. Dans certains systèmes, le système d'eau de la chemise et le système d'eau du refroidisseur intermédiaire sont reliés afin que le refroidisseur intermédiaire puisse être chauffé quand il le faut.
Si l'air de combustion entrant dans le moteur est trop froid, le démarrage du moteur peut prendre plus de temps, il peut ne pas fonctionner aussi bien lorsque la charge est faible et la chemise de cylindre peut ne pas être aussi bien lubrifiée. Pour atténuer cet impact, plusieurs fabricants limitent de manière thermostatique le débit d'eau de refroidissement vers le refroidisseur intermédiaire et/ou fournissent de l'eau de chemise chaude si nécessaire.
La vanne thermostatique dans le circuit empêche l'eau du refroidisseur intermédiaire de devenir trop froide, ce qui empêche également l'air entrant dans le moteur de devenir trop froid. Lorsque l'air est trop froid, il peut provoquer de la condensation dans le moteur et de la fumée "blanche" sortir du tuyau d'échappement.
Plus de choses qui le rendent cool
La plupart du temps, le générateur diesel est conservé dans un bâtiment avec peu d'ouvertures.
Il existe plusieurs sources de chaleur dans la salle EDG, telles que le moteur et le générateur. Pour de meilleures performances, l'appareillage de commutation, les panneaux de commande, l'équipement de surveillance, le réservoir journalier de carburant, le(s) compresseur(s) d'air et le(s) réservoir(s) de stockage d'air dans cette zone doivent être maintenus à une température froide.
La salle EDG ne peut pas faire plus chaud que 122 degrés F (50 degrés). Il est donc nécessaire d'amener suffisamment d'air frais (air ambiant) pour évacuer la chaleur et maintenir la température de la pièce en dessous du niveau le plus élevé autorisé. Même si la température ambiante n'a pas beaucoup d'effet sur le moteur lui-même, des températures ambiantes EDG très élevées peuvent avoir un effet sur le générateur et d'autres pièces. Si l'air pour la combustion du moteur provient de la pièce, l'air chaud entrant dans le moteur peut le rendre moins puissant.
