Nuovi requisiti del sistema di raffreddamento per generatori ibridi HVO/biodiesel

Il passaggio di un gruppo elettrogeno all'HVO, al biodiesel basato su FAME o a una miscela dei due è spesso descritto come una semplice transizione "drop-in". Per il sistema di alimentazione, tale descrizione è in gran parte accurata. Per il sistema di raffreddamento è vero solo in parte. Il funzionamento con biocarburanti introduce una serie specifica di considerazioni sulla compatibilità termica, chimica e dei materiali che, se ignorate, possono ridurre la durata di servizio del radiatore, compromettere le prestazioni del liquido di raffreddamento e creare eventi di surriscaldamento imprevisti nel peggiore momento possibile.

Come HVO e biodiesel modificano il profilo termico del motore

L'HVO (olio vegetale idrotrattato) e il diesel convenzionale condividono una struttura idrocarburica molto simile. In termini pratici, un generatore funzionante al 100% di HVO produce un carico di smaltimento del calore entro circa il 2-3% della sua linea di base diesel — una differenza troppo piccola per richiedere il ridimensionamento dei radiatori nella maggior parte degli impianti. La ragione principale è la densità energetica leggermente inferiore dell'HVO (circa 34,4 MJ/L contro 35,7 MJ/L per il diesel), che provoca un aumento marginale del consumo di carburante per kWh generato, e quindi un aumento marginale del calore totale respinto al circuito di raffreddamento.

Il biodiesel a base FAME (estere metilico di acidi grassi) si comporta diversamente. La sua struttura molecolare contenente ossigeno altera le caratteristiche di combustione in modi importanti per gli ingegneri dei sistemi di raffreddamento:

• Temperature di combustione più elevate a medio carico: Il contenuto di ossigeno nelle molecole di FAME supporta una combustione più completa, che può aumentare le temperature di picco nel cilindro e spostare una percentuale maggiore di calore nel circuito del liquido di raffreddamento anziché nel flusso di scarico.
• Aumento del consumo di carburante con miscele ad alto FAME: Le miscele B20 (20% FAME) mostrano generalmente un aumento del consumo di carburante dell'1–2%. B100 può mostrare incrementi dell'8–12%, direttamente proporzionali al carico aggiuntivo di dissipazione del calore imposto al radiatore.
• Instabilità del rapporto di miscelazione nel funzionamento ibrido: I gruppi elettrogeni che funzionano con miscele HVO/FAME variabili, in cui il rapporto di miscela cambia tra le erogazioni di carburante, subiranno un carico termico fluttuante. I radiatori a capacità fissa dimensionati per il diesel potrebbero operare più vicino al loro margine di quanto gli operatori credano.

La conclusione pratica: il funzionamento solo HVO non richiede il ridimensionamento del sistema di raffreddamento. Le miscele FAME superiori a B20, in particolare nelle applicazioni di prima potenza funzionanti con carichi elevati e sostenuti, garantiscono un ricalcolo formale della reiezione del calore prima di impegnarsi nel cambio di carburante.

Compatibilità del liquido di raffreddamento: cosa cambia con il funzionamento con biocarburante

Il refrigerante stesso è l’aspetto più spesso trascurato nella transizione ai biocarburanti. La maggior parte dei gruppi elettrogeni arrivano dalla fabbrica riempiti con un liquido refrigerante convenzionale con tecnologia additiva inorganica (IAT), che utilizza inibitori di silicati e fosfati per proteggere le superfici metalliche. Questi inibitori sono stati formulati per la chimica della combustione diesel e interagiscono scarsamente con la contaminazione del biodiesel FAME.

Il biodiesel FAME è igroscopico: assorbe l'umidità dall'atmosfera durante lo stoccaggio e il funzionamento. Nei motori con qualsiasi percorso di combustione verso il circuito del liquido di raffreddamento, tracce di prodotti di ossidazione dei FAME, principalmente acidi organici a catena corta, possono entrare nel liquido di raffreddamento. Questi acidi accelerano l'esaurimento degli inibitori dei silicati, abbassando il pH del refrigerante e trasformando il fluido protettivo in un fluido leggermente corrosivo.

Per qualsiasi gruppo elettrogeno che funziona con miscele FAME superiori a B10, aggiornare le specifiche del liquido di raffreddamento a OAT (Organic Acid Technology) o HOAT (Hybrid OAT) prima di effettuare il cambio di carburante. I refrigeranti OAT utilizzano inibitori del carbossilato che sono chimicamente resistenti alla contaminazione da acidi organici, mantengono un pH stabile in una gamma più ampia di condizioni e forniscono una protezione superiore a lungo termine per le superfici degli scambiatori di calore in alluminio. Inoltre, estendono gli intervalli di manutenzione dal tipico ciclo IAT di 2 anni a 4-5 anni, riducendo i costi di manutenzione.

Per il funzionamento solo HVO, le specifiche del refrigerante esistente sono generalmente adeguate, ma la transizione è una buona opportunità per verificare le condizioni del refrigerante (controllare il pH, la concentrazione dell'inibitore e il punto di congelamento) e sostituirlo se il fluido ha più di due anni.

Selezione del materiale del radiatore per ambienti con biocarburanti

Non tutti i materiali del nucleo del radiatore rispondono allo stesso modo alle condizioni operative dei biocarburanti. La distinzione è più importante quando il biodiesel FAME fa parte del mix di carburanti.

I tradizionali nuclei dei radiatori in rame-ottone utilizzano saldatura dolce (lega di stagno-piombo) per unire i tubi ai collettori. La combustione del FAME produce piccole quantità di acido formico e acetico come sottoprodotti dell'ossidazione. Nel corso di migliaia di ore di funzionamento, questi composti, anche in tracce nel liquido di raffreddamento, possono attaccare i giunti di saldatura dolce, causando un progressivo degrado dei giunti ed eventuali perdite di refrigerante nelle giunzioni tra tubo e collettore. Questa modalità di guasto è lenta e spesso non viene rilevata finché non appare una perdita visibile.

La struttura del nucleo brasato interamente in alluminio è la scelta del materiale preferito per i gruppi elettrogeni alimentati con combustibili contenenti FAME. I giunti brasati in alluminio utilizzano una lega di riempimento in alluminio-silicio che è chimicamente resistente all'ambiente acido organico associato al funzionamento del biodiesel. I nuclei in alluminio offrono inoltre un migliore rapporto resistenza/peso e una conduttività termica superiore rispetto ai design in rame-ottone con volumi di nucleo equivalenti. Per gli impianti che pianificano una strategia a lungo termine per i biocarburanti, specificando un Radiatore del gruppo elettrogeno interamente in alluminio fin dall'inizio elimina completamente il rischio di corrosione della saldatura.

Per i gruppi elettrogeni con radiatori ibridi alluminio-plastica esistenti, in cui un nucleo in alluminio è combinato con serbatoi terminali in polimero, la preoccupazione principale si sposta sulla guarnizione tra serbatoio e nucleo e sui materiali O-ring. Le guarnizioni standard in EPDM sono compatibili sia con HVO che con FAME. Le guarnizioni in neoprene o gomma nitrilica, tuttavia, possono gonfiarsi e ammorbidirsi se esposte a miscele ad alto FAME per periodi prolungati. Prima di impegnarsi con miscele B20 o superiori su un radiatore in alluminio-plastica, verificare le specifiche del materiale di tenuta con il produttore del radiatore. Per un'analisi dettagliata della struttura in alluminio-plastica e del suo comportamento alla corrosione in diversi ambienti di carburante, fare riferimento al nostro guida alla corrosione del radiatore in alluminio-plastica .

Dimensionamento della dissipazione del calore: hai bisogno di un radiatore più grande?

Questa è la domanda che la maggior parte degli operatori si pone per prima e la risposta dipende interamente dal tipo di carburante, dal rapporto di miscela e dal profilo di carico operativo.

La soglia di ridimensionamento non riguarda semplicemente il carico medio, ma riguarda anche il carico di picco sostenuto. Un gruppo elettrogeno funzionante al 70% del carico medio con picchi occasionali alla potenza nominale massima può funzionare in sicurezza su B20 con il suo radiatore esistente. La stessa unità in un ruolo di potenza primaria continua con un carico dell’85-100% avrà un margine termico più ristretto e l’ulteriore rifiuto di calore da una miscela B20 potrebbe spingere le temperature del liquido di raffreddamento nella zona di allarme nelle giornate ambientali calde.

Per gli impianti di prima potenza che intendono operare con miscele FAME superiori a B20, l'unico metodo affidabile è un calcolo termico dedicato che utilizza i dati di smaltimento del calore del produttore del motore con le specifiche del carburante target. Costruito appositamente radiatori del generatore di potenza principale sono progettati con una maggiore profondità del nucleo e una maggiore densità delle alette per gestire esattamente questi elevati carichi di smaltimento del calore a servizio continuo.

Lista di controllo pratica per l'adattamento dei gruppi elettrogeni esistenti

Prima che il primo serbatoio di HVO o miscela di biodiesel entri in servizio, eseguire i seguenti passaggi per verificare che il sistema di raffreddamento sia pronto:

1. Identifica il materiale del nucleo del radiatore. I nuclei in rame-ottone con giunti di saldatura dolce devono essere ispezionati per verificare la corrosione esistente e presi in considerazione per la sostituzione se il gruppo elettrogeno funzionerà con miscele FAME superiori a B10 a lungo termine. I nuclei brasati interamente in alluminio non richiedono modifiche.
2. Verificare i materiali di tenuta e guarnizione. Controllare le guarnizioni del serbatoio all'estremità del radiatore e tutti i collegamenti dei tubi del liquido di raffreddamento. Sostituire eventuali componenti in neoprene o nitrile con equivalenti EPDM prima di passare a carburanti contenenti FAME.
3. Se necessario, aggiornare le specifiche del liquido di raffreddamento. Scaricare e lavare il liquido di raffreddamento esistente se si passa da IAT a OAT/HOAT. Non limitarti a rabboccare: la miscelazione di prodotti chimici inibitori può causare la perdita di inibitori e la formazione di fanghi.
4. Ricalcolare la dissipazione del calore se si utilizzano miscele B20 o superiori. Utilizzare i dati relativi allo smaltimento del calore della scheda tecnica del motore adattati alla densità energetica inferiore del carburante e al tasso di consumo di carburante più elevato. Confronta il risultato con la capacità di raffreddamento nominale del tuo radiatore alla massima temperatura ambiente.
5. Monitorare attentamente durante le prime 250 ore di funzionamento. Dopo il cambio del carburante, monitorare la temperatura del liquido refrigerante a pieno carico, ispezionare eventuali nuove infiltrazioni sui giunti del radiatore e sui collegamenti dei tubi flessibili e ricontrollare il pH del liquido refrigerante al limite delle 250 ore. Questa finestra di monitoraggio iniziale rileva la maggior parte dei problemi di compatibilità prima che si trasformino in guasti gravi.