En la columna del mes pasado, analizamos la importancia de la primavera como periodo de transición para los sistemas de refrigeración de motores de gran tamaño. Un sistema que llega al verano con un flujo de aire restringido, aletas del enfriador sucias o un paso de ventilador mal ajustado tendrá dificultades para mantener el control de la temperatura, independientemente de la composición química del refrigerante utilizado en el motor. La primavera es el momento ideal para corregir estos problemas. Las temperaturas ambientales van aumentando, pero aún no han alcanzado los niveles máximos del verano. Los motores funcionan con cargas moderadas, lo que permite a los técnicos observar el comportamiento del sistema y realizar ajustes antes de que llegue la demanda térmica máxima. La primavera es el momento de ir más allá de la simple inspección y ajustar el sistema de refrigeración para las condiciones ambientales que se acercan.
En lugar de centrarse únicamente en la inspección estacional, la transición de las condiciones invernales a un funcionamiento en climas más cálidos y la preparación del sistema antes de la llegada de altas las temperaturas ambientales, esta columna de dos partes profundiza en los ajustes técnicos. Estos ajustes influyen directamente en el rendimiento del sistema de refrigeración a medida que las temperaturas comienzan a subir. Concretamente, abordaremos la gestión del flujo de aire, el ajuste del paso del ventilador, las consideraciones sobre la altitud y el clima regional, y la importancia de mantener limpios los enfriadores externos. También trataremos la optimización estacional del refrigerante una vez superado el riesgo de heladas. A menudo, estos aspectos se consideran detalles menores de mantenimiento; sin embargo, son algunas de las variables más influyentes a la hora de determinar si un sistema de refrigeración funcionará de manera fiable durante los meses más calurosos del año.
La primera parte se centra en la geometría del ventilador y el flujo de aire. La segunda parte abordará la limpieza del enfriador y el restablecimiento del flujo de aire. Cuando se comprenden y gestionan correctamente estos factores, el sistema de refrigeración se vuelve predecible y estable, incluso en condiciones extremas de verano.
ENTENDIENDO EL FLUJO DE AIRE COMO FACTOR LIMITANTE EN LA DISIPACIÓN DE CALOR
Cuando los técnicos hablan del rendimiento del sistema de refrigeración, la mayor parte de la atención se centra en la composición química del refrigerante, el funcionamiento de la bomba o el comportamiento del termostato. Si bien estos elementos son ciertamente importantes, el verdadero factor limitante en la mayoría de los sistemas de refrigeración de motores suele ser mucho más sencillo.
El objetivo del sistema de refrigeración es extraer el calor del bloque del motor y liberarlo a la atmósfera circundante. El refrigerante absorbe el calor de las superficies de combustión y transporta esa energía hacia el radiador. Una vez que el calor llega al radiador, el sistema depende del flujo de aire para disiparlo. Si el flujo de aire es insuficiente, el radiador se satura de calor y la temperatura del refrigerante comienza a aumentar. Ninguna cantidad de tratamiento químico o sustitución del refrigerante puede compensar un flujo de aire inadecuado a través de la superficie del radiador.
Este principio cobra especial importancia a medida que aumentan las temperaturas ambientales durante la primavera y el inicio del verano. En este periodo, la diferencia de temperatura entre el refrigerante y el aire circundante disminuye, lo que hace que el sistema dependa en gran medida del volumen de flujo de aire para mantener una disipación de calor adecuada.
La relación básica que rige la transferencia de calor en esta situación puede expresarse mediante un balance de energía simplificado:
Calor extraído = caudal másico × calor específico × variación de temperatura
En términos prácticos, esto significa que el sistema de refrigeración puede extraer más calor si aumenta el caudal del refrigerante, si se incrementa la capacidad térmica del refrigerante o si aumenta la diferencia de temperatura a través del radiador. Sin embargo, ninguna de estas mejoras puede compensar totalmente la situación si el flujo de aire a través de la superficie del radiador está restringido.
Desde la perspectiva exclusiva del flujo de aire, el volumen de aire que circula a través de un radiador puede estimarse mediante una relación sencilla:
Volumen de flujo de aire = área frontal del radiador × velocidad del aire
Esta ecuación destaca dos factores que determinan la cantidad de aire que circula a través del enfriador. El primero es el área superficial efectiva de la cara del enfriador. Si partes del enfriador están obstruidas por residuos, polvo o aletas dobladas, el área efectiva se reduce y el flujo de aire disminuye.
El segundo factor es la velocidad del aire. La velocidad del aire que atraviesa el enfriador depende del diseño del ventilador, su velocidad y el ángulo de inclinación de las aspas. Cuando alguno de estos factores se ve afectado, el enfriador pierde su capacidad para transferir calor de manera eficiente. Uno de los ejemplos más comunes ocurre durante los meses de invierno, cuando el polvo, el polen y los residuos ambientales se acumulan lentamente en la superficie del enfriador. En clima frío, el sistema puede seguir funcionando sin problemas evidentes debido a la baja temperatura ambiental. Sin embargo, al llegar la primavera y aumentar las temperaturas, la reducción en la capacidad de flujo de aire se hace evidente mediante temperaturas más altas a la salida del refrigerante. Por esta razón, las inspecciones del enfriador en primavera son fundamentales. La limpieza y la verificación del flujo de aire deben realizarse siempre antes de que el motor alcance su máxima carga térmica estacional.
Otro concepto importante que los técnicos deben comprender es que el flujo de aire debe ser uniforme en toda la cara del enfriador. Si el flujo de aire se vuelve irregular, algunas secciones del enfriador disiparán el calor eficientemente, mientras que otras soportarán una carga térmica mayor. Esta distribución desigual del calor puede generar zonas calientes localizadas que reducen la eficiencia general de enfriamiento. Un flujo de aire uniforme requiere una alineación correcta de la carcasa del ventilador, aletas del enfriador libres de obstrucciones y un sistema de ventilación ajustado correctamente.
El ángulo de inclinación de las aspas del ventilador es una de las variables que más influye en el rendimiento del flujo de aire. El ángulo de las aspas determina con qué intensidad el ventilador impulsa el aire a través de la superficie del enfriador. Pequeños ajustes en la inclinación de las aspas pueden modificar drásticamente la capacidad de flujo de aire del sistema de refrigeración.
Un ángulo de inclinación reducido genera un menor flujo de aire y requiere menos potencia para girar; por el contrario, aumentar el ángulo desplaza un mayor volumen de aire a través del enfriador en cada revolución. Los ajustes de mayor inclinación mejoran el rendimiento de la refrigeración, pero también aumentan la resistencia aerodinámica y la carga mecánica sobre el sistema de accionamiento del ventilador. Un ajuste adecuado de la inclinación equilibra los requisitos de flujo de aire con la potencia disponible del accionamiento para mantener temperaturas estables del refrigerante en condiciones de alta temperatura ambiente.
INCLINACIÓN DEL VENTILADOR Y CONTROL DEL FLUJO DE AIRE
Cuando se comprende la importancia del flujo de aire, la siguiente variable que los técnicos deben considerar es cómo se genera dicho flujo. En la mayoría de los sistemas de refrigeración de motores grandes utilizados en servicios de compresión de gas, el flujo de aire es generado por un ventilador mecánico que aspira o impulsa el aire a través de la superficie del enfriador de aletas.
El comportamiento de este ventilador está controlado principalmente por tres variables: el diámetro del ventilador, la velocidad de rotación y el ángulo de inclinación de las aspas. De estas variables, la inclinación de las aspas es la que los técnicos ajustan con mayor frecuencia en el campo. La inclinación del ventilador se refiere al ángulo del aspa con respecto al plano de rotación. Cuando el ventilador gira, cada aspa actúa como un perfil aerodinámico en rotación. En lugar de generar sustentación como el ala de un avión, el aspa produce diferencias de presión que desplazan el aire a través del enfriador. Si el ángulo de inclinación es reducido, el ventilador mueve menos aire en cada revolución. Si el ángulo aumenta, el aspa impulsa un mayor volumen de aire a través del enfriador durante cada rotación. Este concepto puede visualizarse imaginando una hélice moviéndose en el agua: un ángulo reducido desplaza menos agua por rotación, mientras que un ángulo mayor mueve un volumen superior, pero requiere más potencia para girar. El mismo principio se aplica a los ventiladores de refrigeración.
GEOMETRÍA DE LAS ASPAS Y MOVIMIENTO DEL AIRE
Las aspas del ventilador están diseñadas con una curvatura y un perfil de superficie específicos que permiten mover el aire de manera eficiente. La geometría del aspa suele incluir un borde de ataque, un borde de salida y una superficie curva que ayuda a guiar el flujo de aire suavemente a lo largo del aspa. A medida que el ventilador gira, el aspa captura el aire y lo acelera hacia la superficie del enfriador. Cuanto mayor sea el ángulo de ataque, con mayor fuerza empujará el aspa el aire hacia adelante. Sin embargo, aumentar este ángulo también incrementa la resistencia aerodinámica. El motor del ventilador o el sistema de accionamiento por correa deben suministrar un par motor adicional para mantener la misma velocidad de rotación. Esta relación entre el ángulo del aspa y el flujo de aire es la razón por la cual los ajustes de inclinación del ventilador deben realizarse con cuidado. Aumentar la inclinación puede mejorar el rendimiento de la refrigeración, pero también incrementa la carga sobre el motor o el sistema de accionamiento del ventilador.
ÁNGULO DE INCLINACIÓN Y VOLUMEN DE FLUJO DE AIRE
La cantidad de aire desplazada por un ventilador suele describirse mediante el flujo de aire volumétrico, medido habitualmente en pies cúbicos por minuto.
Una relación simplificada del flujo de aire puede expresarse como:
Q = A × V
donde Q = volumen de flujo de aire;
A = área efectiva de barrido del ventilador;
y V = velocidad media del aire a través del enfriador.
El área de barrido del ventilador puede calcularse utilizando la conocida fórmula del área del círculo:
A = π × r²
Una vez conocido el diámetro del ventilador, las variables principales que afectan al flujo de aire pasan a ser la velocidad de rotación y la inclinación de las aspas. En condiciones prácticas de campo, los técnicos suelen ajustar la inclinación en lugar de la velocidad, ya que esta última viene determinada por las relaciones de las poleas o por los componentes accionados por el motor. Aumentar la inclinación de las aspas incrementa la cantidad de aire capturado y acelerado por ellas. Como resultado, aumenta el volumen de flujo de aire. Sin embargo, el flujo de aire no aumenta de forma lineal con el ángulo de inclinación. A medida que aumenta la inclinación, la resistencia aerodinámica crece rápidamente, lo que impone una mayor demanda de par motor al sistema de accionamiento.
CONSUMO DE POTENCIA Y CARGA DEL
VENTILADOR
La potencia necesaria para mover el aire aumenta drásticamente a medida que crece la demanda de caudal de aire. Esta relación puede aproximarse mediante las leyes de afinidad de los ventiladores, que describen cómo varían el caudal, la presión y la potencia en función de la velocidad del ventilador.
A continuación se presentan las tres relaciones básicas de afinidad de los ventiladores:
• Caudal de aire proporcional a la velocidad del ventilador
Q₂ / Q₁ = N₂ / N₁
donde Q = caudal de aire; y N = velocidad de rotación del ventilador.
• Presión estática proporcional al cuadrado de la velocidad del ventilador
P₂ / P₁ = (N₂ / N₁)²
donde P = presión; y N = velocidad de rotación del ventilador.
• Potencia proporcional al cubo de la velocidad del ventilador
W₂ / W₁ = (N₂ / N₁)³
donde W = potencia; y N = velocidad de rotación del ventilador.
Si bien estas relaciones describen cambios en la velocidad y no en el ángulo de inclinación de las palas, ilustran un principio importante: mover una mayor cantidad de aire requiere una cantidad de potencia desproporcionadamente mayor. Aumentar el ángulo de inclinación de las palas del ventilador produce un efecto similar. Un pequeño incremento en el ángulo de las palas puede resultar en un aumento notable del caudal de aire, pero también puede incrementar significativamente el par motor necesario para hacer girar el ventilador. Por este motivo, unos ajustes de inclinación excesivos pueden provocar problemas como el deslizamiento de la correa, el desgaste de los cojinetes o una carga innecesaria para el motor.
En la práctica, el objetivo respecto al consumo de potencia y la carga del ventilador es lograr el caudal de aire necesario para mantener estables las temperaturas del refrigerante, minimizando al mismo tiempo el esfuerzo mecánico sobre el sistema del ventilador. Los técnicos de campo suelen determinar los ajustes de inclinación adecuados observando la temperatura de salida del refrigerante bajo carga operativa y ajustando el ángulo de las palas hasta que el sistema de refrigeración mantenga temperaturas de funcionamiento estables durante las condiciones de mayor calor previstas.
ALTITUD Y DENSIDAD DEL AIRE
Otro factor que influye en el rendimiento del ventilador es la densidad del aire. A mayor altitud, el aire es menos denso. Esto significa que cada pie cúbico de aire contiene menos moléculas y, por tanto, menos masa. Dado que la refrigeración depende de la masa de aire que circula sobre la superficie del enfriador, una menor densidad del aire reduce la capacidad del sistema para disipar el calor. La densidad del aire disminuye con la altitud según la relación de la atmósfera estándar. Una estimación simplificada, utilizada a menudo en cálculos de ingeniería, es:
Relación de densidad ≈ 1 − (0,0000226 × altitud en pies)
Por ejemplo, un motor que funciona a una altitud de 5000 pies (1524 m) puede experimentar una reducción de la densidad del aire de entre el 10% y el 15% aproximadamente, en comparación con las condiciones a nivel del mar. Para compensar esta menor densidad, los sistemas de refrigeración que operan a mayor altitud suelen requerir superficies de refrigeración más grandes o un mayor flujo de aire, lo cual se logra mediante ajustes de mayor inclinación (paso) de las palas del ventilador. Esta es una de las razones por las que los ajustes de inclinación del ventilador varían de una región a otra. Los motores que operan en zonas montañosas requieren con frecuencia configuraciones de flujo de aire más agresivas que aquellos que funcionan a menor altitud. Una vez comprendida la relación entre la inclinación del ventilador y el flujo de aire, el siguiente factor crítico para el rendimiento del sistema de refrigeración es el estado de la superficie del enfriador. Incluso un ventilador perfectamente ajustado no puede mantener un rendimiento de refrigeración adecuado si la superficie del enfriador está obstruida por polvo o residuos.
El aire es aspirado hacia la parte frontal del enfriador de ventilador y aletas por el ventilador en rotación y forzado a pasar a través del haz de tubos aleteados. A medida que el aire circula por las aletas del enfriador, el calor del fluido de proceso que recorre el interior de los tubos se transfiere a la corriente de aire. Posteriormente, el aire calentado se expulsa de la carcasa del enfriador. Un flujo de aire adecuado a través del enfriador es fundamental para una disipación de calor eficaz. Las obstrucciones, como la acumulación de residuos en las aletas, pueden reducir considerablemente el rendimiento del sistema de refrigeración.
Por este motivo, la limpieza en primavera del enfriador es una de las etapas más importantes para preparar el sistema de refrigeración ante de las altas temperaturas de los meses de verano.
