Henk de Swardt
Especialista de Soporte Técnico de EASA
Si bien las máquinas con refrigeración aire-aire (WP II o TEAAC) dominan el mercado, la refrigeración agua-aire es habitual en motores con potencias superiores a 5000 kW (6700 hp), en aquellos casos en los que el agua está fácilmente disponible, o en aplicaciones específicas, tales como los generadores eólicos. Los centros de servicio se encuentran con dos configuraciones: intercambiadores de calor con tubos externos e intercambiadores de calor integrales de camisa de agua.
Intercambiadores de calor de tubos
El primer tipo consiste en unidades separadas y extraíbles que albergan conjuntos de tubos de refrigeración (a menudo de acero inoxidable, cobre o cuproníquel. Este diseño es habitual en motores de bombas de alta potencia; en la Figura 1 se ilustra un ejemplo de instalación.
En la Figura 2 se muestra un ejemplo del conjunto de refrigeración extraíble. En términos de orden de magnitud, entre los intervalos de mantenimiento circulan a través del intercambiador de calor hasta 8,9 millones de m³ (2.350 millones de galones) de agua de refrigeración.
El material de los tubos influye significativamente en el rendimiento térmico, ya que la conductividad térmica afecta la tasa de transferencia de calor a través de la pared del tubo. Entre los materiales más comunes se encuentran el cobre (conductividad térmica de 391 W/m·K = 225,9 BTU/ (h·pie·°F)), el latón amarillo (117 W/m·K = 67,6 BTU/(h·pie·°F)), las aleaciones de cuproníquel y el acero inoxidable (14 W/m·K). Cambiar el material de los tubos para mitigar la corrosión o subsanar una capacidad de refrigeración insuficiente puede acarrear consecuencias imprevistas. Por ejemplo, sustituir los tubos de cobre por tubos de acero inoxidable reduce la conductancia de la pared del tubo en ~25x. En la
práctica, esto suele reducir la potencia térmica global del intercambiador de calor (capacidad en kW bajo condiciones de diseño) en más de un 30%+, lo que provoca un aumento de las temperaturas internas del aire y el consiguiente incremento de la elevación de temperatura del motor.
Camisas de agua
Unas “bolsas” de refrigeración integradas rodean la carcasa del estator y se utilizan habitualmente en motores para minería, motores para ubicaciones peligrosas y generadores eólicos. (Véase la Figura 4). A diferencia de los intercambiadores de tubos, el agua de refrigeración fluye entre el cilindro interior y la camisa exterior, lo que da lugar a una conducción del calor que se produce directamente a través de la carcasa del estator. (PRECAUCIÓN: Durante el proceso de barnizado (p. ej., inmersión y horneado o VPI), se debe tener sumo cuidado para evitar que la resina penetre en los conductos de flujo de la camisa de agua. La resina curada dentro de la camisa degrada el rendimiento de la transferencia de calor y resulta extremadamente difícil de eliminar. Por consiguiente, todos los conductos de agua se deben sellar de forma hermética al aire y al vacío antes de proceder al barnizado).
En el dibujo (véa la Figura 5), la carcasa exterior de la camisa de agua es transparente para mostrar la trayectoria del agua de refrigeración, tal como se indica.
Acumulación de depósitos minerales
Por lo general, el agua destilada no está disponible en las plantas industriales. En los casos en que se utiliza agua desmineralizada, el contenido de minerales disueltos no se elimina. Por consiguiente, el agua de refrigeración contiene minerales disueltos que se precipitan en forma de incrustaciones y recubren el interior de los tubos de refrigeración o de la camisa de agua. La Figura 6 muestra un ejemplo de una tubería de entrada a un enfriador típico que presenta una acumulación severa.
El “porqué”: Implicaciones térmicas
La práctica habitual en la industria, que se basa únicamente en las pruebas de presión de los enfriadores para la detección de fugas, resulta insuficiente para garantizar la fiabilidad térmica. Los análisis térmicos indican que la acumulación de depósitos minerales compromete significativamente la refrigeración; sin embargo, dado que esta suciedad "No se ve a simple vista" en el interior de los tubos (sin ser visible desde el exterior), a menudo pasa desapercibida.
La reducción de la transferencia de calor provoca un aumento en la temperatura de los devanados. Según la relación de Arrhenius, cada incremento de 18 °F (10 °C) en la temperatura de funcionamiento reduce la vida útil del aislamiento a la mitad. Por consiguiente, restablecer la eficiencia térmica —y no solo la integridad mecánica— resulta fundamental para preservar la vida útil de diseño.
El procedimiento: Limpieza y pruebas
Este método se debe adaptar al enfriador específico que se va a limpiar. A lo largo de todo el proceso de limpieza y prueba: utilice manómetros calibrados; registre las presiones y las temperaturas del agua; registre la tasa de fugas; y documente los pasos del proceso y los hallazgos.
a) Prueba de presión inicial: Realice siempre una prueba de presión hidrostática (con agua) antes de la limpieza. Las fugas suelen ser síntoma de debilidad en las paredes; detectarlas a tiempo evita desperdiciar horas limpiando una unidad que ya no sirve.
La seguridad ante todo: Nunca utilice únicamente aire comprimido; la prueba hidrostática (con agua) es obligatoria para prevenir rupturas violentas. (Si la presión requerida es superior a la presión de agua disponible, llene el enfriador con agua y luego utilice un regulador y aire comprimido para alcanzar la presión de prueba deseada. Para que quede claro: el intercambiador de calor se llena primero con agua).
Límites de presión: Realice la prueba hasta alcanzar el valor indicado en la placa de características. Si no dispone de placa, consulte al fabricante original del equipo o acuerde una presión de prueba con el cliente (generalmente entre 1,3 y 1,5 veces la presión de funcionamiento). No aplique una sobrepresión, ya que los intercambiadores de calor no son “recipientes a presión”.
Conecte el suministro de agua a la entrada del enfriador y asegure la conexión. Abra el paso del agua y deje que fluya libremente hasta que todo el aire del interior se haya purgado. Manteniendo el agua dentro del enfriador, cierre el suministro de agua entrante e instale un manómetro en la salida del intercambiador de calor, bloqueando así la salida del agua mientras mide la presión. (Alternativamente, si resulta más conveniente, el manómetro se puede instalar en la entrada).
Por lo general, la presión se mantiene durante un minuto. Si no se producen fugas, la prueba se considera exitosa.
| Tabla 1: Soluciones ácidas comunes para el desincrustado de enfriadores |
| Solución ácida |
Disponibilidad y costo |
Toxicidad |
Compatibilidad de materiales |
Eficacia |
| Vinagre blanco (5% de ácido acético) |
Fácil de obtener y de bajo costo |
Bajo |
Seguro para acero inoxidable, cobre y cuproníquel en exposiciones breves. Puede causar una ligera oxidación superficial en acero dulce si no se enjuaga, pero el ataque es mínimo a temperatura ambiente. |
Moderadamente eficaz contra la cal ligera. Disuelve los depósitos de carbonato de calcio siempre que se le conceda suficiente tiempo de contacto, aunque actúa con mayor lentitud que los ácidos más fuertes. Es ideal para capas finas de cal o para purgas preventivas periódicas (en el caso de depósitos gruesos, puede requerir varias horas o un remojo durante toda la noche). |
Ácido cítrico
Jugo de limón
~5–7 % o solución de ácido cítrico en polvo
~5–10 % |
Fácil de obtener y de bajo costo |
Bajo |
Seguro para el acero inoxidable, el cobre, el latón y el acero dulce, el ácido cítrico se utiliza a menudo para pasivar el acero y no ataca agresivamente el metal base durante un uso breve. |
Presenta una buena eficacia frente a las incrustaciones minerales típicas. El ácido cítrico disuelve los depósitos de calcio, magnesio y óxido de hierro a velocidades moderadas. Se utiliza con frecuencia para el desincrustado de equipos de acero inoxidable con el fin de evitar la corrosión. Es adecuado para los lavados de mantenimiento regulares destinados a prevenir la acumulación excesiva de depósitos. |
| Ácido sulfámico normalmente utilizado al ~5% en agua, a menudo con un inhibidor de corrosión |
Común en productos industriales de desincrustación; sigue siendo de costo razonablemente bajo y fácil de conseguir en línea. |
Peligro bajo a moderado. Irritará o causará quemaduras por contacto. |
Seguro para acero inoxidable, cobre, cuproníquel, acero dulce, aluminio, hierro fundido, etc., especialmente en presencia de un inhibidor. (Las formulaciones inhibidas protegen el metal base durante la limpieza). |
Desincrustante altamente eficaz contra los depósitos de calcio y magnesio. Disuelve eficientemente las incrustaciones de carbonato y elimina también las acumulaciones leves de óxido. Se considera uno de los ácidos eficaces más seguros para intercambiadores de calor: ofrece un alto poder de limpieza —comparable al de los ácidos fuertes— sin provocar reacciones violentas ni un ataque excesivo a los metales. Por lo general, unas pocas horas de limpieza mediante circulación bastan para eliminar las incrustaciones severas. |
| Solución de ácido fosfórico al 10–20% |
Disponible en algunos desincrustantes y eliminadores de óxido comerciales. Relativamente económico. |
Peligro moderado; puede causar quemaduras en la piel y los ojos por contacto. Tóxico si se ingiere. |
No es compatible con el acero dulce, ya que tiende a formar una película de fosfato de hierro sobre las superficies metálicas. Acero inoxidable: Seguro. Cobre/cobre-níquel: Generalmente seguro en exposiciones breves; se utiliza una concentración suave (~5%) para evitar un ataque excesivo al metal. |
Altamente eficaz para disolver incrustaciones de carbonato y óxido. Se utiliza con frecuencia para la eliminación de cal y el tratamiento de superficies de acero. |
Ácido oxálico
ácido etanodioico típicamente una solución al ~5–10 % |
Disponible en forma de polvo cristalino (se vende como blanqueador de madera, removedor de óxido o limpiador de terrazas). Económico y de fácil acceso. |
Peligro moderado; puede causar quemaduras en la piel y los ojos por contacto. Tóxico si se ingiere. |
Especialmente eficaz para disolver el óxido de hierro (herrumbre), a la vez que resulta suave con el acero subyacente. Se recomienda para disolver obstrucciones de óxido en las camisas de agua. Seguro para su uso en acero inoxidable y acero dulce. No es compatible con el cobre ni con las aleaciones de cobre-níquel, ya que tiende a formar una película de oxalato de calcio sobre las superficies metálicas. |
Moderadamente eficaz para la eliminación de óxido, pero menos eficaz para eliminar otros depósitos minerales. |
b) Verificación del material de los tubos: Antes de introducir productos químicos, valide el material de los tubos o de la camisa (acero inoxidable, cobre, cuproníquel, latón o acero dulce). A menudo, una inspección visual será suficiente; no obstante, como alternativa, puede utilizar un analizador de fluorescencia de rayos X. Esto permite determinar el fluido de lavado más adecuado. (Consulte la Tabla 1).
c) Lavado de desincrustación: Realice un proceso controlado de desincrustación para eliminar los depósitos minerales del interior de los tubos de refrigeración. Si los tubos de refrigeración no son accesibles para su limpieza con cepillos tubulares, realice el lavado de desincrustación antes de la limpieza mecánica. En los casos en que el interior de los tubos sea inaccesible para el cepillado mecánico, lleve a cabo la desincrustación química antes de la limpieza mecánica; si se puede acceder al interior, se puede realizar un cepillado mecánico preliminar para eliminar los depósitos más pesados. Comience la limpieza con agentes menos agresivos y recurra a productos químicos más agresivos únicamente si las etapas anteriores resultan ineficaces.
Comience con un suministro de agua municipal a baja presión durante 30 minutos para eliminar los residuos sueltos. A continuación, enjuague el enfriador con agua caliente (inicialmente a unos 50 °C [120 °F]) con detergente durante una hora. Inspeccione los tubos (por ejemplo, con un boroscopio o retirando las placas de los extremos). Si persisten las acumulaciones, repita el enjuague con detergente durante un periodo más prolongado. El detergente supone un riesgo mínimo para el material de los tubos, por lo que un enjuague prolongado —incluso durante varios días— es aceptable.
Adoptando las precauciones adecuadas, el enjuague con agua caliente se puede repetir varias veces durante periodos prolongados, incluso con temperaturas del agua mucho más elevadas. (El agua no debe llegar a hervir).
Asi mismo, se puede emplear la limpieza con vapor de flujo libre (únicamente vapor sin presión), descargando el vapor a través de la salida abierta. Tras cada ciclo de limpieza, inspeccione el enfriador para evaluar los depósitos remanentes. Si los depósitos persisten, proceda con un fluido desincrustante ácido de bajo caudal que sea compatible con el material de los tubos de refrigeración.
Seleccione los ácidos basándose en la seguridad, la compatibilidad con los materiales y la eficacia. Consulte la Tabla 1 para ver las soluciones ácidas de uso común (que abarcan desde concentraciones domésticas hasta formulaciones industriales). Consulte las hojas de datos de seguridad pertinentes y realice pruebas puntuales antes de la aplicación completa. Utilice formulaciones inhibidas siempre que sea posible (especialmente en el caso del ácido sulfámico). Comience con un ácido menos agresivo, enjuague, inspeccione y, si fuera necesario, pase a utilizar un ácido más agresivo. Siga siempre procedimientos de seguridad estrictos y use los equipos de protección personal (EPP). Por lo general, se evita emplear ácidos calientes, ya que aumentan el riesgo de corrosión y los peligros asociados a su manipulación. Haga circular la solución ácida durante varias horas, verificando la eliminación de los depósitos a intervalos de aproximadamente una hora. Neutralice el efluente hasta alcanzar un pH de ~ 7 antes de su eliminación y cumpla con la normativa local sobre aguas residuales.
d) Limpieza con cepillo de alambre: (No aplica a las camisas de agua; cuando sea accesible, cada tubo se debe limpiar internamente con un cepillo de alambre para eliminar los residuos sueltos desprendidos durante el enjuague de desincrustación).
e) Limpieza externa: (No aplica a las camisas de agua; el exterior de los tubos y la carcasa circundante se deben lavar, y se deben reparar las placas del intercambiador de calor que presenten deformaciones).
f) Enjuague con agua posterior a la limpieza: Tras la limpieza química y/o mecánica, enjuague el sistema a fondo con agua limpia hasta restablecer un pH neutro.
g) Prueba de presión frente a caudal: Una verificación que a menudo se pasa por alto, pero que resulta esencial, es la prueba de presión vs caudal. Esta prueba compara el caudal de agua medido y la presión diferencial con los valores indicados en la placa de características. Aumente el caudal de agua progresivamente hasta alcanzar el especificado en la placa de características o la presión nominal correspondiente. Las restricciones u obstrucciones internas dentro del intercambiador de calor darán como resultado un caudal reducido a la presión especificada en la placa de datos. Las vías de flujo de derivación (aplicables principalmente a diseños con camisa de agua) darán como resultado una caída de presión inferior a la esperada al caudal nominal. Si se identifica alguna de estas condiciones, se requiere una acción correctiva, ya que ambas reducen la transferencia de calor efectiva y provocarán un aumento en las temperaturas de funcionamiento del motor. En la Figura 7 se muestra un ejemplo de dicha prueba de presión frente a caudal realizada en un generador eólico de 3060 kW.
h) Prueba de presión final: Repita el procedimiento de la prueba hidrostática inicial para verificar que el enfriador permanezca libre de fugas tras la limpieza y cualquier trabajo mecánico de reparación. Utilice la misma presión de prueba y el mismo tiempo de mantenimiento especificados para la prueba inicial, y registre los resultados.
i) Secado: Seque el enfriador utilizando un horno con temperatura controlada. Un ciclo de secado típico consiste en mantener una temperatura de aproximadamente 150 °C (300 °F) durante cuatro horas, a menos que el fabricante original especifique lo contrario o que existan limitaciones impuestas por los materiales, los recubrimientos o los sellos instalados. Asegúrese de que todas las cavidades internas se encuentren drenadas antes de aplicar calor para evitar la acumulación de presión o el sobrecalentamiento localizado.
j) Juntas y sellos: Reemplace todas las juntas y sellos. Inspeccione las bridas de sellado en busca de fugas y repárelas según sea necesario.
Conclusión
Restaurar la eficiencia de la transferencia de calor es esencial para la confiabilidad del motor y para preservar la vida útil del aislamiento de los devanados. Las pruebas de fuga estándar por sí solas resultan insuficientes para garantizar el rendimiento térmico operativo; por ello, se requieren acciones adicionales para restablecer la capacidad de refrigeración de conformidad con las condiciones de diseño originales. En consecuencia, una restauración térmica eficaz exige:
- Verificación hidrostática de seguridad
- Desincrustación química compatible con los materiales
- Neutralización y lavado exhaustivo
Restaurar la eficiencia de la transferencia de calor constituye una actividad crítica para la fiabilidad y la sostenibilidad, ya que influye directamente en la vida útil operativa del sistema de aislamiento de los devanados. La implementación de los procedimientos descritos reduce el riesgo de sobrecalentamiento, prolonga la vida útil de los devanados y preserva la integridad mecánica y estructural. La selección de agentes desincrustantes compatibles con los materiales —tales como el ácido sulfámico o el ácido cítrico—, basada en la metalurgia del intercambiador, garantiza una eliminación eficaz de los depósitos al tiempo que minimiza el riesgo de corrosión o degradación de los materiales.
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