Apuntes

1. Tema 5: DIFERENTES SISTEMAS DE REFRIGERACION
Sistema de refrigeración.
La combustión produce temperaturas máximas comprendidas entre 1.700 y 2.500º C. Gran parte de ese calor es
absorbido por las paredes del cilindro y del pistón, de la culata y válvulas. Este calor debe ser disipado por medio de un
sistema de refrigeración para evitar daños en la estructura del motor y en las partes mecánicas. Las temperaturas
máximas en estas partes del motor son las siguientes:
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Parte del motor Tª max.
Válvula de escape 750 ºC
Válvula de admisión 350 ºC
Cabeza del pistón 350 ºC
Culata 300 ºC
Segmentos 250 ºC
Cilindro 200 ºC
Una temperatura superior producen la degeneración del aceite lubricante, lo que perjudica la lubricación entre los
elementos con las consecuencias de la reducción de su resistencia mecánica, el gripado del motor, la detonación a
destiempo.
El circuito de refrigeración debe de enfriar, pero no excesivamente, ya que un enfriamiento excesivo reduciría la
vaporización del combustible, evitando que la mezcla con el aire sea lo más homogénea posible, con el riesgo de que
entre combustible líquido al interior del cárter diluyendo el lubricante. Además, provocaría una reducción de la viscosidad
del lubricante, aumentando el rozamiento.
Se debe conseguir también que la subida de la temperatura sea lo más uniformemente distribuida para evitar
dilataciones irregulares, lo que perjudicaría por un lado la estanqueidad y por otro someter las distintas partes del motor
a tensiones, deformándolo.
La refrigeración se consigue por medio de la circulación de un fluido por unas galerías en el interior del motor. Este
fluido está en contacto con las paredes del cilindro o entre el cilindro y la camisa, (según sea camisa húmeda o seca) y
pasa por el interior de la culata, enfriando ésta y las válvulas.
El enfriamiento se realiza por las paredes exteriores del
cilindro, procurando que no sea demasiado enérgico para evitar
una disminución de la potencia y del rendimiento del motor.
Los sistemas generalmente empleados en la refrigeración
son: enfriamiento por aire y enfriamiento por agua.
Cuando se utiliza aire de la atmósfera como medio
refrigerante, se le obliga a pasar con cierta velocidad por entre
las aletas de que está provisto el cilindro. Se emplea en
motores de pequeñas potencias, sometidos a bajos niveles de
carga.
Cuando se trata de cilindros de grandes dimensiones, se
emplea el enfriamiento por agua, cuya capacidad calorífica es
aproximadamente seis veces mayor que la del aire,
permitiendo obtener con el mismo un enfriamiento más regular
con temperaturas sensiblemente constantes.
Dos procedimientos son los utilizados para obtener la
circulación del agua a través de las distintas partes del motor
que precisan refrigeración: la utilización de las variaciones de
densidad (termosifón) o el empleo de una bomba.
Circulación del agua por termosifón. Este procedimiento
utiliza la diferencia de densidad que existe entre el agua caliente y la fría para producir la circulación del agua.
Un sistema de termosifón se compone de un depósito de agua situado a un nivel superior a los cilindros, que
comunica con la parte alta de los mismos y con el enfriador, y unido éste a su vez a un colector que está en
comunicación con la parte baja de los cilindros.
El agua, bajo la influencia del calor absorbido, disminuye de densidad ascendiendo y yendo a parar al depósito,
después desciende por los tubos del enfriador, en donde se enfría, hasta el colector que lo envía de nuevo a los
cilindros. La diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del enfriador es de aproximadamente 40º C.
El principal inconveniente es su elevado tamaño.
Como regla general, el agua entra por la parte inferior del cilindro, subiendo y pasando a la culata, desde donde retorna.

2. De esta manera se evita la formación de bolsas de vapor.
Circulación del agua por bomba. A pesar de las ventajas
que se derivan del sistema anterior, se emplean las
bombas para obtener una circulación de agua de
refrigeración rápida y constante.
REFRIGERACION POR AGUA SALADA: SU CIRCUITO
La refrigeración con agua se efectúa haciendo circular
una corriente de agua por entre las galerías de
refrigeración, entrando el agua por la parte más fría y
descargando por la más caliente.
La refrigeración con agua salada o circuito abierto, se
caracteriza por el empleo de una bomba de circulación
que aspira el agua del mar a través de la válvula de fondo
y caja de fangos o toma de mar y la obliga a pasar por
todos los órganos que deba refrigerar, descargando otra vez al mar. La descarga del motor no deberá exceder de 45 a
50ºC, para evitar que se empiece a formar incrustaciones.
Esquemáticamente se representa el circuito abierto de refrigeración del motor.
Durante el funcionamiento han de vigilarse periódicamente las temperaturas y presiones prescritas para el circuito. Las
temperaturas del agua han de controlarse no solamente mediante los termómetros fijados, sino, a ser posible, también
palpando las tuberías, por cuanto los termómetros pudieran estar averiados facilitar valores erróneos.
El volumen del agua impelida a través del motor ha de ser suficiente para que en marcha a plena carga el calentamiento
del agua corresponda al valor fijado. Esto volumen se ajusta, en el caso de una bomba de émbolo, mediante
estrangulación en su tubería de aspiración, y en el caso de una bomba centrífuga, por cierre del paso en la tubería de
descarga al motor, mediante una corredera reguladora.
Con bombas centrífugas ha de permanecer
constantemente abierta del todo la válvula en la tubería
de aspiración, para evitar la formación de cavidades en
la bomba. La presión del agua de refrigeración se ajusta
automáticamente en virtud de la resistencia dentro y
fuera del motor.
En este circuito se pueden producir corrientes galvánicas
que pueden corroer el interior del circuito. Esto es debido
a las diferencias de temperatura, a las diferencias de
materiales de las que está constituido el circuito y al paso
del agua salada. (La corrosión galvánica es un proceso
electroquímico en el que un metal se corroe
preferentemente cuando está en contacto eléctrico con
un tipo diferente de metal (más noble) y ambos metales
se encuentran inmersos en un electrolito o medio
húmedo)
Para evitar esta corrosión se recurre a la protección
catódica mediante ánodos de sacrificio. (Se conecta el
metal que queremos proteger con una barra de otro
metal más activo, que se oxidará preferentemente,
protegiendo al primer metal. Se utilizan uno o más
ánodos de sacrificio de un metal que sea más
fácilmente oxidable que el metal protegido. Los metales
que comúnmente se utilizan para ánodos de sacrificio
son el zinc y el aluminio para agua salada y el
magnesio para agua dulce).
Se debe hacer un mantenimiento periódico que
consiste en limpiar y en caso de deterioro o desgaste
cambiarlos.
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3. REFRIGERACION POR REFRIGERANTE. SU CIRCUITO
En la refrigeración por circulación en circuito cerrado se impele agua limpia de dureza rebajada (agua dulce o destilada)
en circulación constante por el motor. El calor adquirido en el motor se extrae del agua en un intercambiador de calor
(refrigerador de agua dulce). En los intercambiadores agua - agua de calor el agua refrigerada es una mezcla de
agua, anticongelantes y aditivos que pertenece al circuito cerrado y el agua que refigera es el agua del mar del circuito
abierto.
Como en el circuito cerrado se encuentra constantemente en circulación la misma agua, no se presenta el
peligro de la formación de grandes incrustaciones. Por lo tanto, puede mantenerse un poco más alta la temperatura del
agua de refrigeración que en el circuito abierto.
El elemento esencial de este sistema de refrigeración es el intercambiador de calor, donde el agua circulante en circuito
cerrado a través del motor, impulsada por la bomba centrífuga, entrega su calor inherente al agua del circuito exterior.
La temperatura del agua se regula por un termostato que hace pasar una parte tanto mayor de agua del circuito cerrado
a través del refrigerador cuanto más grande sea la carga del motor; el resto del agua del circuito interior vuelve al motor
sin refrigerar. De esta forma se mantiene una uniforme temperatura para el motor. Este sistema hace al mismo tiempo
que, después del arranque, el motor adquiera rápidamente su temperatura de régimen, hecho de suma importancia
para reducir el desgaste en los cilindros.
Órganos de refrigeración.
Bomba de agua.
Son del tipo centrífugo por ser aptas para grandes caudales con poca presión. Están
formadas por un cuerpo o carcasa, de fundición o aluminio que contiene al conducto
de entrada y el de salida del agua. En su interior se encuentra el rotor o impulsor,
formado por una placa circular en la que se encuentran unas paletas o álabes, curvos
o radiales, que son los que se encargan de impulsar el agua. Ésta entra al interior de la
bomba por el centro y es impulsada de forma radial. Se construyen de bronce o
aluminio. La estanqueidad se consigue por medio de una empaquetadura.
La bomba de agua fuerza al líquido refrigerante a entrar en el bloque de cilindros a
medida que gira el impulsor. Él líquido refrigerante procede de la salida del enfriador o
intercambiador y es impulsado para crear un flujo en el bloque de cilindros.
La bomba de agua es normalmente accionada por una correa trapezoidal que
viene de una polea del cigüeñal, por cadena o por engranajes. La capacidad de
la bomba de agua debe ser suficiente para proporcionar la adecuada circulación
del líquido refrigerante.
En motores más pequeños, se emplean también impulsores flexibles, fabricados
de goma, más económicos y de sustitución más sencilla. Sufren un mayor
desgaste debido al rozamiento con las paredes interiores del cuerpo.
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4. Intercambiadores de calor.
Se emplea en espacios donde no es posible el enfriamiento del agua por aire al no existir ventilación suficiente, como
puede ser la sala de máquinas del barco. Está formado por un haz tubular cerrado en los extremos por dos placas
taladradas, con tantos orificios como tubos hayan en el haz .
Todo ello está cubierto por una carcasa con las aberturas necesarias
para el paso de ambos fluidos. La unión entre el haz tubular y la
carcasa está sellada por una junta tórica de goma, que proporciona
estanqueidad al cerrar las tapas de los extremos. Uno de los fluidos
pasa por el interior del haz tubular en doble etapa, es decir, hace un
viaje de ida por el interior de la mitad de los tubos, y el de vuelta por
la otra mitad, mientras que el otro fluido circula por el exterior del
haz. Dentro del haz tubular, pero por fuera de los tubos existen unas
placas deflectoras que producen en el fluido que circula por el
exterior un flujo turbulento a la par que incrementa el tiempo de
contacto con los tubos mejorando así la transmisión de calor.
Estos intercambiadores utilizan como fluido enfriador el agua del
mar, que circula por el interior del haz tubular, para absorber el calor
del agua de refrigeración, por lo que deben ser construidos por
materiales resistentes a la corrosión marina. El haz tubular suele
star fabricado de cobre con niquel o latón, que resisten la corrosión
y tienen un buen coeficiente de transmisión de calor. La carcasa
suele ser de acero, lo que hace necesario dotarla de ánodos de
sacrificio para evitar su deterioro.
e
Los intercambiadores necesitan ser limpiados periódicamente,
pues el agua del mar deja depósitos de origen salino o incluso
partículas que las bombas aspiran del fondo marino en el interior
de los tubos, que pueden convertirse en incrustaciones. Para la
limpieza es necesario abrir las dos tapas y pasar una larga varilla
roscada por el interior de todos y cada uno de los tubos,
empujando la suciedad hacia el otro lado. Posteriormente se hace
pasar agua limpia. Antes de volver a cerrar las tapas, es necesario
revisar el estado de las juntas, sustituyéndolas si fuera necesario.
En el caso de que uno de los tubos se perforase, ante la dificultad
de su reparación, la mejor opción es condenar dicho tubo por
ambos lados con tapones.
Termostato.
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También llamada válvula termostática, es un dispositivo sensible a la temperatura que regula la refrigeración del motor.
Deriva parcial o totalmente el agua de refrigeración hacia el enfriador al alcanzar una determinada temperatura. Cuando
el motor está frío, no permite el paso del agua al enfriador,
obligándolo a circular entre el motor y la bomba. De esta
manera el motor aumenta su temperatura de forma más
rápida hasta alcanzar la temperatura óptima de
funcionamiento (dato especificado por el fabricante). Esta
temperatura permite una combustión más eficiente al facilitar
la vaporización del combustible y su mezcla con el aire en el
cilindro.
A partir de 70 ºC aproximadamente, valor por debajo de la
temperatura óptima de funcionamiento del motor (85 ºC
aproximadamente), el termostato empieza a abrir
permitiendo el paso gradual hacia el enfriador.
Existen principalmente dos tipos de termostatos.
El primero de ellos es del tipo que aprovechan la volatilidad
de algunos líquidos por su elevada tensión de vapor. Este
líquido se encuentra encerrado en una cápsula con forma de
muelle de latón. Al evaporar, el muelle se expande abriendo la
válvula y permitiendo el paso del líquido de refrigeración al
enfriador.
El otro tipo es de cápsula de cera (térmicamente expansiva).
Utiliza el alto coeficiente de dilatación de algunas ceras
especiales que, al dilatarse ejerce una presión que empuja un
vástago que hace que la válvula abra.
Va situado entre el intercambiador y la salida del agua del motor.

5. Depósito o tanque del agua
Debido a los cambios de temperatura que se producen en el circuito de refrigeración, sobre todo en el enfriador, se
necesita de un sistema que pueda adaptarse a estos cambios, para que no afecten sobre el buen funcionamiento del
sistema. Cuando aumenta la temperatura del motor también aumenta la temperatura del líquido refrigerante, por lo que
se genera una presión dentro del enfriador. Esto es debido a que por efecto del aumento de temperatura, el agua se va
evaporando, este vapor de agua queda concentrado en la parte superior del circuito, creando una sobrepresión (presión
superior a 1 atm) en el mismo que si llegase a unos limites críticos, haría saltar el tapón de llenado.
Otro problema ocurre cuando el motor una vez que ha estado en funcionamiento se para y se enfría rápidamente, se
produce entonces una condensación del vapor acumulado, creando un vacío interno (presión inferior a 1 atm) que
dificultará la perfecta circulación del agua en el circuito.
Para evitar estos problemas se disponen unas válvulas en el tapón de llenado que comunican con la atmósfera y
eliminan la sobrepresión y el efecto del vacío cuando existen.
Existen dos tipos:
• Con tanque de compensación: Es abierto ya que el circuito de refrigeración se comunica a través de las
válvulas de paso (del tapón de llenado) con la atmósfera, produciéndose la evacuación del vapor interno a la atmósfera
y retornando aire al interior del depósito cuando se produce la condensación.
Este sistema tiene el inconveniente de que con la evaporación y evacuación se va perdiendo líquido en el circuito, con
lo que en las tareas de mantenimiento está el rellenar frecuentemente el circuito (sobre todo en verano) para restablecer
el volumen del mismo. Esto origina un mayor mantenimiento del sistema.
El funcionamiento es el siguiente: El tapón de llenado del enfriador esta constituido (figura inferior) por dos válvulas, una
de las cuales, P, puede abrirse hacia arriba y poner en comunicación el enfriador con la atmósfera (C) cuando hay una
sobrepresión por aumento de temperatura; la otra válvula (R) se abra hacia abajo y también pone en comunicación el
enfriador con la atmósfera (C), cuando hay una bajada brusca de temperatura y provoca una depresión. Estas válvulas
se mantienen cerradas por medio de sendos muelles, y estando las dos cerradas no hay comunicación entre el
enfriador y la atmósfera. La fuerza de los muelles esta calculada para que las
válvulas se abran con una presión determinada. Con ello se consigue
aumentar la temperatura de ebullición del agua hasta unos 120ºC
• Con vaso de expansión: Este es cerrado: El enfriador no
lleva tapón de llenado y se comunica mediante un tubo con un
pequeño depósito auxiliar llamado "depósito de expansión". El
depósito de expansión contiene líquido refrigerante y recibe a
través del tubo de unión con el enfriador, los gases procedentes
de la evaporación, los cuales al contacto con el líquido se licuan.
Cuando se produce el vacío interno, el líquido procedente del
depósito de expansión pasa al enfriador, con lo cual se restablece
el circuito sin pérdida de líquido en el mismo por condensación.
El depósito de expansión cuenta con un tapón, que tiene unas
válvulas, que como en el caso anterior, sirven para eliminar la
sobrepresión y la depresión que se produce en el enfriador y que
se transmiten al depósito de expansión.
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6. CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN
Consiste en un circuito cerrado donde el agua, impulsada por la bomba, entra en el motor por la zona inferior, el bloque,
refrigerando los cilindros, y subiendo hasta llegar a la culata donde absorbe el calor generado en la cámara combustión
y en la válvula de escape. A su salida pasa por el termostato el cual, en función de la temperatura del agua, la envía
hacia la bomba o la deriva al enfriador, de donde retorna a la bomba para comenzar de nuevo el circuito. Antes de
entrar al motor existe una pequeña ramificación que va al tanque de compensación el cual tiene varias misiones:
1) mantener la presión del agua constante,
2) compensar las pérdidas de agua del circuito,
3) eliminar las bolsas de aire o vapor que pueda contener el agua.
De vez en cuando es conveniente comprobar el nivel del tanque de compensación y rellenar si fuera necesario.
Las bombas pueden estar acopladas al motor o ser independientes, movidas eléctricamente. Es recomendable disponer
de más de una bomba, para que la instalación pueda seguir en funcionamiento si fallase. El depósito de reserva
siempre estará situado en la parte alta del motor, o fuera de él pero siempre en un plano superior. Compensa las
pérdidas por gravedad. Es necesario mantener vigilado siempre su nivel. Un descenso del nivel indica pérdida de agua
de refrigeración por algún punto de la instalación, dentro o fuera del motor. Durante las rondas en la sala de máquinas,
es importante observar con frecuencia la instalación en busca de posibles pérdidas con una linterna.
El origen del denominado escape húmedo es el aprovechamiento del agua procedente de la salida del circuito de
refrigeración del motor para evacuar el calor residual de los gases de escape, pero teniendo ciertas precauciones de
instalación.
Las ventajas del confort a bordo que fomentan la instalación de escapes húmedos son básicamente la eliminación de
ruidos y disminución de olores de los gases escape en cubierta.
El motor necesita poder evacuar los
gases de escape fácilmente, por ello,
si el diámetro del colector de escape
es pequeño ó con un trazado muy
complicado, la presión en el escape,
denominada “contra-presión”
aumenta, minimizando el rendimiento
del motor debido a que la potencia
neta del motor disminuye al tener que
dedicar un trabajo a evacuar los
gases de escape.
Cada motor especifica un valor de
referencia como presión máxima admisible
a la salida del motor como requisito de
instalación a bordo de la embarcación.
Puede ser consultado en el manual de
usuario del motor.
ESCAPE HÚMEDO.
La inyección de agua procedente del circuito de refrigeración del
motor cumple la misión de enfriar los gases de escape que por
radiación calentarían el aire de la cámara de máquinas, espacios
de habilitación adyacentes al trazado del circuito de escape y lo
más peligroso, tanques de combustible, a bordo.
La razón para reducir la temperatura es que en la brida de salida del motor, los gases alcanzan en ocasiones más de
650 ºC. Es difícil y peligroso, por potenciales incendios, enrutar el trazado de la descarga manejando estas altas
temperaturas.
Cuánto más cerca esté el punto de inyección del agua de la salida del motor más fría estará la línea. No obstante la
mezcla se realiza en un punto aguas abajo del punto más alto del circuito de escape del motor (denominado “riser”)
para asegurar el no retorno del agua al motor por el conducto de escape y evitar graves averías en el motor.
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7. La mezcla de gases a alta temperatura con agua produce reacciones que generan ácidos corrosivos, por ello los
colectores preferiblemente soldados (para evitar fugas por tramos de conexionado) de los circuitos se fabrican en
aleaciones de acero bajas en carbono y con presencia de níquel, cromo ó molibdeno.
Silencioso y colector.
El silencioso no es más que un gran cilindro vacío con dos tomas, una de entrada y otra de
salida.Los gases enfriados con el agua entran en el cilindro por un lateral ó por la tapa
superior y salen verticalmente hacia la descarga. Algunos modelos poseen un tapón de
purga en la base para vaciado previo al invernaje.
Dentro del cilindro se va depositando el agua contenida en la mezcla inyectada previamente.
Cuándo el agua alcanza un nivel, a medida que sigue entrando más mezcla dentro del
silencioso, en el recipiente aumenta la presión, produciendo que agua se vaporice y el vapor
producido se sobrecaliente.
El silencioso, a base de vaporizar el agua inyectada, permite bajar más de 200º la
temperatura de los gases de escape y reducir el ruido aéreo.
Entre el silencioso y la descarga deberá haber un sifón. Hay que tener
precaución en este punto porque, si la distancia entre la brida de salida
del motor y el sifón es muy grande, la contrapresión será muy grande y
el motor tendrá dificultades para el escape.
La figura adjunta es la de un colector silencioso que se encarga de
recoger el agua de la manguera de escape tras las paradas del motor
pues impide que entre el agua en el motor marino o en el generador. En
este caso este colector tiene un silenciador integrado.
LÍQUIDOS REFRIGERANTES Y ANTICONGELANTES.
Como líquido refrigerante se emplea generalmente el agua por ser el líquido más estable y económico, pero se sabe
que tiene grandes inconvenientes, ya que a temperaturas de ebullición el agua es muy oxidante y ataca a las partes
metálicas en contacto con ella. Por otra parte, y debido a la dureza de las aguas (mucha cal) precipita gran cantidad de
sales calcáreas que pueden obstruir las canalizaciones y el enfriador. Otro de los inconvenientes del agua es que a
temperaturas por debajo de 0 ºC se solidifica, aumentado de volumen, lo cual podría reventar los conductos por los que
circula.
Para evitar estos inconvenientes del agua se emplean los anticongelantes y aditivos, que son unos productos químicos
preparados para mezclar con el agua de refrigeración de los motores y conseguir los siguientes fines:
• Disminuir el punto de congelación del líquido refrigerante, el cual, en proporciones adecuadas, hace descender
el punto de congelación a temperaturas entre- 5 y -35 ºC dependiendo de la proporción de mezcla la cual estará
en función de las condiciones climatológicas de la zona donde se navega.
• Aumentar la temperatura de ebullición del agua, para evitar perdidas en los circuitos que trabajen por encima de
los 100 ºC.
• Evitar la corrosión de las partes metálicas por donde circula el agua, lo cual se consigue mediante aditivos
anticorrosivos. Evitar formación de espuma mediante antiespumantes, y evitar la formación de depósitos
calcáreos mediante anticalcáreos.
El principal anticongelante más utilizado es "etilenglicol". El punto de congelación se determina según el porcentaje de
este elemento. El anticongelante puro se mezcla, a poder ser, con agua destilada en distintas proporciones, que
determinaran un punto de congelación más bajo. No se puede usar anticongelante 100% puro debido a su alta
viscosidad e impide una buena circulación.
Anticongelante puro (%) Punto de congelación (º C)
20 - 10
33 - 18
44 - 30
50 - 36
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