SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO

UNIVERSIDAD AUSTRAL AUSTRAL DE D E CHILE FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA INSTITUTO DE CIENCIAS NAVALES Y MARITIMAS M ARITIMAS EQUIPOS E INSTALA INS TALACIONES CIONES NAVA NAVALES LES

RECOMENDACIONES EN SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE ALUMNO: PABLO PABLO VELASQUEZ SANTANA PROFESOR: MARIO LOAIZA

V ALDIVIA, 10 DE JUNIO DE 2010

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INTRODUCCION Un sistema enfriamiento o refrigeración es un conjunto de equipos destinados a absorber calor disminuyendo la temperatura de los equipos a los que esta e sta destinado a refrigerar. Los sistemas de refrigeración mediante agua de mar son variados, dependiendo del tipo de maquinaria, del diseño y la facilidad para el astillero de adquirir un sistema determinado e instalarlo. En la actualidad existe una amplia gama de sistemas de enfriamiento, tanto directa como indirecta, entre estos podemos encontrar directos con enfriador de quilla, directo con agua y aire a través de radiador, indirecto con agua dulce y agua de mar a través de intercambiadores de calor, etc..

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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INTRODUCCION Un sistema enfriamiento o refrigeración es un conjunto de equipos destinados a absorber calor disminuyendo la temperatura de los equipos a los que esta e sta destinado a refrigerar. Los sistemas de refrigeración mediante agua de mar son variados, dependiendo del tipo de maquinaria, del diseño y la facilidad para el astillero de adquirir un sistema determinado e instalarlo. En la actualidad existe una amplia gama de sistemas de enfriamiento, tanto directa como indirecta, entre estos podemos encontrar directos con enfriador de quilla, directo con agua y aire a través de radiador, indirecto con agua dulce y agua de mar a través de intercambiadores de calor, etc..

SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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1. TIPOS DE SISTEMAS DE ENFRIAMIE ENFRIAMIENTO NTO CON AGUA SALADA EN BUQUES. Sistemas de Enfriamiento Directo: Directo con agua salada (Raw Water Cooling System).  Directo por circulación de agua dulce versus agua de mar a través de un  

enfriador de quilla (Keel Cooling System ). Directo por circulación de agua versus aire a través de un radiador.

Sistemas de Enfriamiento indirecto, por circulación de agua dulce versus agua de mar a través de un intercambiador de  

calor. Sistema de intercambiadores de calor para agua de chaqueta. Enfriamiento central de motores (Central Cooling System)

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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Directo con Agua Salada Este sistema consiste en succionar agua directa desde de sde el mar con una bomba y hacerlo circular por la chaqueta del motor principal y descargarla al costado. Este tipo de sistema actualmente se encuentra obsoleto por los problemas de corrosión que se producen.


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Directo por circulación de agua dulce versus agua de mar a través de un enfriador de quilla En este sistema la transferencia de calor es mediante un enfriador de quilla, que es un intercambiador de calor fuera de borda, que forma parte del casco o esta adosado a el.


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Quillas de Enfriamiento 

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Pueden ser de varios tipos dependiendo de las aguas en donde se valla a navegar y la capacidad de transferencia de calor que se necesite. El tamaño de los enfriadores de quilla la determina la temperatura a la cual trabajara el motor. Un enfriador de quilla debe operar a su máxima capacidad cuando el buque este estático. Se debe tomar en consideración la corrosión, producida por las corrientes galvanicas, y el factor de incrustación (fouling). Es por ello que el uso de enfriadores del tipo estructuras se hace poco efectivo por el progresivo deterioro, sobre todo en aguas que sobrepasan los 30° C . La velocidad del flujo de agua circulando en el interior del enfriador no debe ser alta (2,5 m/s) puede provocar erosión, y una velocidad muy baja (0,6 m/s) las partículas de moho, arena entre otras, van a tener la posibilidad de posarse La dirección del flujo de agua refrigerante debe ser contraria al flujo de agua sobre el buque SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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Tipos de Quillas de Enfriamiento  Tipo estructurales con perfiles.  Tipo estructural formando parte del  Tipo

casco.

caja

Perfiles usados para quillas de enfriamiento


Tipo caja adosado a un costado del buque

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Tipo estructurales con perfiles.  

Pueden ser de varios tipos de perfiles. En la mayoría de las construcciones se utilizan, por razones económicas, vigas tipo C de acero estructural, debido a que por su gran área de sección transversal hace que disminuya el flujo de agua y haga más efectiva la transferencia de calor


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Tipo estructural formando parte del casco.  

Este tipo de enfriadores es usado en embarcaciones pequeñas Generalmente es una cañería adosada al casco.


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Quillas de enfriamiento tipo caja 

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son enfriadores adquiridos en el mercado y luego apernados en la parte de la obra viva del buque son mucho menos susceptibles a la corrosión y la incrustación comparados con cualquier otra solución. Ahorro energético (bomba secundaria).


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Dirección del flujo de agua de enfriamiento en un enfriador de quilla El líquido refrigerante del motor debe circular a través del enfriador de quilla de popa a proa. Este flujo encontrado con el agua de mar, aumenta significativamente la eficiencia en la transferencia de calor


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Directo por circulación de agua versus aire a través de un radiador El agua caliente proveniente de la chaqueta del motor, circula a través del núcleo del radiador, donde es enfriado por aire empujado o succionado por un ventilador a través de las aletas de enfriamiento . 

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Tener en cuanta el ruido producido por el ventilador producto de las vibraciones, esto se mejora colocando uniones flexibles. Tener cuidado en que los gases de escape no entren en el radiador y evitar que el aire que ya paso por el radiador vuelva a ser tomado por el ventilador.


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Sistema de intercambiadores de calor para agua de chaqueta. 

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Se compone de un intercambiador de calor por donde circula agua de mar tomada por la bomba de circulación desde una caja de mar. Estos sistemas también utilizan un regulador de temperatura de agua (termostato) y una línea hacia el intercambiador de calor para regular la temperatura de operación


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Enfriamiento central de motores (Central Cooling System) Es aquel que enfría múltiples motores y combina muchos componentes de sistemas individuales (bombas, intercambiadores de calor) y lo hacen parte de  

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un sistema central. Se reduce el numero de cañerías a instalar con lo que se reduce la mano de obra Como el numero de cañerías y equipos es menor se reduce el costo de la instalación y mantención. Se puede operar con poco personal.


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Sistema de enfriamiento central


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BUQUE BASE Y SISTEMA DE ENFRIAMIENTO A UTILIZAR El buque base que utilizaremos será un Anchor Handling Tug Supply Vessel (Nave de suministro, remolque y manejo de anclas de fondeo) Sus características principales son: Eslora total 89.50 m Eslora entre perpendiculares 76.20 m Manga moldeada 19.40 m Puntal moldeado 9.00 m Calado de diseño 6.50 m Francobordo de diseño 2.50 m Velocidad de Servicio 15 Kn Bollard pull 212 Ton.


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Casa Clasificadora El buque será construido de acuerdo con las reglas y regulaciones de la casa clasificadora Lloyd´s Register of Shippin. Lloyds:

X100 A1, XLMC, UMS, N AV-1, SCM, DP( AA), IWS, Ice Class 1C, Fire-Fighting Ship 1 (2400m³) with water spray "Offshore Tug Supply Ship´

100 A1: Buque de construcción nueva, de navegación en mar abierta, y que presentan un equipo de manejo y levantamiento de anclas y muertos. ) X LMC: (LRS Machinery Class) UMS: Puede operar con sala de maquinas sin guardia. NAV-1: En el puente de gobierno se puede acceder a todos los sist. principales. SCM: Tiene sistemas auto-lubricadores en el sistema de propulsión. IWS:: Buque puede ser inspeccionado sin levar a dique. X

ada la complejidad de los sistemas instalados a bordo y los requerimientos de estos se optara por el sistema de enfriamiento central

D


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FUNCIONES DEL CIRCUITO A BORDO 

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Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de chaqueta de los motores principales. Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de chaqueta de motores auxiliares Suministro de agua de mar para enfriamiento de agua que circula por los frenos del winche principal Suministro de agua de mar para enfriamiento de equipos auxiliares. Suministro de agua de mar para sistema de Lastre. Suministro de agua de mar para sistemas contra-incendio. Suministro de agua de mar para la generación de agua dulce a bordo Suministro de agua de mar para equipos auxiliares


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Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de chaqueta de los motores principales  

El buque cuenta con 4 motores principales. Con una configuración 2 x motor Padre e hijo.

ME 1: Motor Principal Padre Babor. ME 2: Motor Principal Hijo Babor. ME 3: Motor Principal Hijo Estribor. ME 4: Motor Principal Padre Estribor Nombre Tipo

ME 1 ME 2

Padre Hijo

Modelo

Potencia en K W

MAK 8 M 32-C MAK 6 M 32-C

3840 2880


RPM

600 600

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Esquema motores principales


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Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de chaqueta de motores auxiliares. Se cuenta con 2 generadores auxiliares, estos están enumerado de babor a estribor y tienen las siguientes características. Nombre Tipo

AE 1 AE 2

Auxiliar Auxiliar

Modelo

Caterpillar 3508B Caterpillar 3508B

Potencia K W

910 910


RPM máximas

1800 1800

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ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CIRCUITO 

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El circuito debe ser diseñado basado en una temperatura máxima de agua de mar de 33ºC y de una temperatura de agua de chaqueta de 37ºC Los arreglos y materiales usados en el circuito de enfriamiento de agua de mar deben ser seleccionados de tal manera que eviten la corrosión en cañerías, cavitación en bombas, etc. La línea de Cross-Over debe contar con una válvula intermedia, para permitir reemplazar equipos, reparar daños. Los intercambiadores de calor del circuito de enfriamiento de agua de mar, deben tener descargas a costado por ambas bandas del buque. Todos los sistemas de agua de mar deben estar protegidos contra incrustaciones de moluscos y corrosión en cada caja de mar. Las bombas de agua de mar para la planta principal de propulsión y equipos auxiliares, deben estar diseñadas para poder operar en paralelo.. Se debe cumplir con todas las condiciones de diseño de la casa clasificadora Lloyd´s Register en lo que a diseño de caja de mar se refiere. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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DISEÑO DEL CIRCUITO Este trabajo no tiene como finalidad el diseño de un circuito de enfriamiento sino mostrar las consideraciones que se deben tomar a la hora de diseñar uno En el cálculo de un circuito las formulas y criterios a utilizar dependen mucho del diseñador dado que estos cálculos están afectos principalmente a la experiencia de este.. Hay que tener en cuenta las exigencias estructurales y el diseño de la casa clasificadora. Ademas es de suma importancia los acuerdos con el armador.    

Consideraciones en el Balance Térmico del Sistema. Presión del Sistema. Obtención del Agua a Bordo mediante Caja de Mar. Obtención de agua a bordo (cross-over)


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Consideraciones en el Balance Térmico del Sistema. Lastimosamente toda la energía del combustible no es aprovechada y transformada a energía mecánica. Se aprovecha alrededor de un 41% de la energía total suministrada por el combustible, la otra parte de la energía se disipa en el agua de chaqueta, gases de escapes e intercambio al ambiente. Existe una relación especifica en la transferencia de calor y viene dada por la primera ley de la termodinámico, que dice relación con la conservación de energía. De aquí se obtiene que: Q = C x V x dT Cantidad de calor a transferir (Q) Cantidad de flujo en la transferencia de calor (V )) Variación de la temperatura en la transferencia de calor (dT)


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Presión del sistema En un sistema de cañerías la presión requerida no es otra mas que la oposición al paso de fluido y esta compuesta de varios puntos.     

Presión de succión: Pérdida de presión por fricción en cañerías: Perdida de presión por altura de descarga: Pérdida de presión por formaciones de vórtices (régimen turbulento). Pérdida de presión por incrustaciones o suciedad en el sistema.

Se recomienda que la presión de trabajo final sea 2 veces el calculo de la oposición al flujo.


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Obtención del Agua a Bordo mediante Caja de Mar Son aberturas practicadas al casco y su función es cobijar las succiones de agua de mar para los diferentes sistemas. Se acomodarán 2 cajas de mar en el buque base, una de alta succión y otra de baja succión. Consideraciones sobre el tamaño: Según Lloyd´s Register debe tener 1 metro cúbico por cada 750 KW de la  potencia total de la planta propulsora.  Si es posible el área de cada abertura del colador debe ser menor que cualquier sección de cañería instalada en el sistema. Consideraciones de servicio: Se deberá instalar a las cajas de mar sistema de limpieza de mugre para el  colador.  Las cajas de mar deben estar en bandas contrarias, una lo más cerca del fondo posible y la otra más alta que la anterior de tal manera que no sean fácilmente obstruibles.


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Esquema caja de mar. 1. Caja de mar 2. Ánodo de zinc 3. Válvula de fondo tipo compuerta 4. Filtro 5. Válvula de compuertas con flange para aire comprimido 6. Ventilación a cubierta 7. Pernos con cabeza avellanada inoxidable 8. Tuercas soldadas 9. Rejilla o colador 10.Toma Colector Principal SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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Obtención de agua a bordo (cross-over) Colector principal (cross-over) comunica las dos cajas de mar, para su dimensionamiento se debe saber los requerimiento para cada intercambiador de calor, por lo tanto el caudal de cada una de las bombas. · 2 bombas de enfriamiento para los motores principales ( 350m3/h x 2) · 2 bombas Aux. de enfriamiento para equipos auxiliares (400m3/h x 2) · 1 bomba del generador de agua destilada (55m3/h) · 1 bomba de incendio (44m3/h) · 1 bomba de lastre (250m3/h) · Instalación futura a considerar para el diseño (250m3/h) · Usaremos 100m3/h como un respaldo de seguridad adicional Haciendo la sumatoria de todos estos caudales tenemos el total q es Q = 2100 m3/h, con este valor se obtiene el diámetro del colector. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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Esquema cross-over


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ELEMENTOS A UTILIZAR EN EL CIRCUITO Una vez que se ha determinado el diseño y el dimensionamiento del sistema es necesario definir los elementos existentes en el mercado para poder armar nuestro circuito. Principalmente los elementos q se va a utilizar son los siguientes:  Válvulas.  Cañerías.  Filtros.  Bombas.  Intercambiadores de calor.  Termómetros. Manómetros y vacuómetros. 


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lvulas

Vá

Son los elementos mas importantes de control. Pueden conectar, abrir, cerrar, desconectar, regular, aislar una enorme cantidad de gases y líquidos. En nuestro circuito se colocaran válvulas de: Aislamiento, par aislar partes del buque que no están en funcionamiento  De corte de descarga, para cortar las descargas a los costados según se  requiera. De admisión de flujo, que están en el colector principal.  Consideraciones para nuestro circuito.  

colocaremos una válvula antes y después de cada equipo. Se colocaran válvulas en los elementos como de medición como manómetros para evitar golpes de presión y dañarlos. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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lvula tipo globo

Vá

Recomendada para: Estrangulación o regulación de circulación.   Para accionamiento frecuente.  Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. V entajas Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o  asiento.  Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas Control preciso de la circulación. 


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lvula de bola

Vá

Recomendada para: Servicio de conducción y corte, sin estrangulación.   Cuando se requiere apertura rápida, ¼ vuelta. Para temperaturas moderadas.   Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. V entajas:  Bajo costo.  Alta capacidad.  Corte bibi-direccional. Circulación en línea recta.   Pocas fugas. Se limpia por sí sola.   Poco mantenimiento.  Tamaño compacto.


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lvula mariposa

Vá

Recomendada para:  Servicio con apertura total o cierre total.  Servicio con estrangulación.  Para accionamiento frecuente.  Para baja caída de presión a través de la válvula. V entajas  Ligera de peso, compacta, bajo costo.  Requiere poco mantenimiento.  Número mínimo de piezas móviles.  No tiene bolas o cavidades.  Alta capacidad.  Se limpia por sí sola


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lvula Antirretorno

Vá

"check" , es un tipo También llamadas v á lvulas de retención, v á lvulas uniflujo o v á lvulas "check" , de válvula unidireccional Este tipo de válvula es utilizada en los buque se utiliza en la descargas de costado para evitar que el agua ingrese al buque


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Cañerías Son lo elementos principales de nuestro sistema, pues deben conducir eficientemente el agua de enfriamientos a todas las partes que lo requieren. Se utilizaran en nuestro sistema cañerías de cromo níquel 9090-10. Las aleaciones de base cobre con níquel son ampliamente usadas en la operación de plantas y equipos en ambientes marinos debido a que los materiales constructivos son capaces de soportar tanto los efectos corrosivos propios de una atmósfera salina como los que tienen lugar en sistemas de refrigeración por agua de mar.


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Bombas Son elementos claves en el circuitos, pues estas hacen circular el agua para poder refrigerar los diversos equipos. En nuestro circuito se elegirán bombas del tipo centrifugas por sus características: Por su amplio rango de caudal de diseño  Son bombas de baja presión.   Por su fácil regulación de flujo mediante controladores de frecuencia del motor eléctrico de accionamiento de la bomba haciendo que desciendan las RPM de la bomba hasta un rango que no cavite.  Porque necesitan ser cebadas pero por su ubicación bajo la línea de flotación en condición de desplazamiento liviano, siempre presentará un nivel positivo de agua.  Son bombas que pueden permanecer funcionando contra presión en períodos de tiempos un poco más prolongados que otros tipos de bombas.


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Intercambiadores de calor Los intercambiadores de calor son el núcleo propio de nuestro circuito. Todos los demás elementos conducen y completan su misión en los intercambiadores de calor. Utilizaremos para nuestro sistema, intercambiadores de calor del tipo placas (plate coolers) debido a las ventajas Mayor superficie de contacto (intercambio de calor)   Menor necesidad de caudal para la misma transferencia calor Mayor comodidad en mantenimiento y reparación   Mayor facilidad de instalación


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Conclusiones 

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Se ha conocido todos los sistemas de refrigeración para un buque de los cuales podemos decir que el sistema central nos una gran versatilidad para refrigerar equipos y utilizar el mismo circuito para otras operaciones por lo cual es el mas utilizado en naves mayores. Que la capacidad para calcular y diseñar un circuito viene dada principalmente por la experiencia. Que gracias a las casa clasificadoras tenemos una serie de directrices y exigencias para llevar a cabo el diseño de nuestro circuito. La gran cantidad de sistemas y equipos que se encuentran en el mercado dan a conocer la importancia y el amplio campo de la refrigeracion. La complejidad y la minuciosa ejecución del proyecto, vien dada por la importancia de la refrigeración a bordo, tanto para el buen funcionamiento de los equipos como de la vida útil de estos, que se traduce en definitiva en costos para el armador. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN UN BUQUE

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Bibliografía 

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PRINCIPALES CONSIDERACIONES EN LA SELECCIÓN E INSTALACIÓN DE UNCIRCUITO DE ENFRIAMIENTO POR AGUA DE MAR A BOR DO, Fernando de Gracia del Cid 2006. http://www.geaphe.com/fileadmin/user_upload/documents/brochures/GE A_PHE_Marine_en.pdf http://www.fastpack.cl/espanol/menu/productos/aceros-alcarbono/canerias http://www.maquinasdebarcos.com/Enfriadores%20de%20quilla%20BLOK SMA.pdf


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