sistemas basicos de buque

8/10/2019 Sistemas Basicos de Buque

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El Proyecto del Buque

Sistemas bsicos del buque


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Sumario

Objetivos e introduccin Sistema de Alimentacin de Combustible

Sistema Elctrico

Sistema de Refrigeracin

Sistema de Gobierno

Conclusiones

Bibliografa


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Introduccin El buque integra un gran nmero de sistemas de diverso

tipo: Sistema propulsivo

Sistema de alimentacin de combustible

Sistema de amarre y fondeo

Sistema de manejo de carga

Sistema de gobierno

Sistema de calentamiento de la carga

Sistema de generacin elctrica Sistema de enfriamiento

...

En esta leccin se presentarn algunos de los ms

significativos sistemas del buque. Se indicarn los criterios bsicos de diseo de estos


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Sistema Alimentacin

Combustible

Sistema de Alimentacin de Combustible Este sistema tiene como misin proveer de combustible al MotorPrincipal (MP) en las condiciones requeridas (cuando losMotores Auxiliares utilizan el mismo combustible que el MP, se

utiliza el mismo sistema para ambos) Tomaremos como referencia el sistema ms comn en los

buques mercantes, basado en un motor de explosin queconsume Fuel Oil.

Las caractersticas bsicas del sistema vienen definidas por laautonoma, los usos y las especificaciones de los elementos.

Los objetivos principales del diseo son asegurar un servicio

adecuado y el menor consumo energtico posible.


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Sistema Alimentacin

Combustible

Tanque/sAlmacn

(1 2)

TanqueSedimen-

tacin

Purificadora

Separadora

Tq. SD1

Tq. SD1

Tq.Reboses y

Derrames Motor Principal

TanqueRetorno

Calentadorinyeccin

inyector

El Fuel Oil no puede ser directamenteutilizado por el motor, requiere de un

proceso previo de calentamiento,sedimentacin, purificacin yseparacin


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Sistema Alimentacin

Combustible

Volumen de combustible

Los volmenes considerados son los utilizables(aprox. un 95% del total del tanque)

El volumen de tuberas es muy pequeo frente alresto y se puede despreciar

Combustible Tq.Alimentacin Tq.Sedimentacin Tq.ServicioDiario Tq.Reboses TuberasV = V +V +V +V +V


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Sistema Alimentacin

CombustibleAutonoma

VB velocidad de servicio del buque (a la que se consideran los consumos) Ppotencia del motor principal (MP) en servicio

Papotencia motores auxiliares (MMAA) si consumen el mismo combustible queel MP

Pcpotencia de la caldera auxiliar (si existe)

Ceconsumo especfico MP

Ceaconsumo especfico MMAA

Cecconsumo especfico caldera auxiliar

densidad del combustible

CombustibleVAutonoma= B

e a ea c ec

V

P C P C P C

+ +


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Sistema Alimentacin

CombustibleDimensionamiento de tanques El volumen de combustible necesario se calcula a partir de la autonoma.

El volumen del tanque de sedimentacin se dimensiona como un 15% ms delconsumo de 24h del MP.

El volumen de los tanques de servicio diario se dimensionan como un 10% msdel consumo de 8h (un turno) o 24h (un da) del MP.

El volumen del tanque de reboses se calcula (aproximadamente) de manerasimilar al de servicio diario (o 1 h de consumo del motor principal si el volumenes excesivo).

El volumen del tanque de alimentacin se calcula como diferencia entre elvolumen total y el del resto de tanques.

Tq.SedimentacinV 1.15 24 eP Ch

=

Tq.ServicioDiarioV 1.10 8 eP Ch

=


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Sistema Alimentacin

CombustibleCalentamiento de tanques Las temperaturas de funcionamiento del sistema vienen definidas por

las especificaciones de los elementos (depuradora e inyeccin), lascaractersticas del combustible y el requisito de mnimo consumoenergtico.

TTq.Alimentacin 40-47C (mnimo para poder bombear) TTq.Sedimentacin 60C

TTq.Reboses 45-60C (la entrada es a 20C)

TTq.ServicioDiario 90C

TInyeccin 110C

Las depuradoras requieren el combustible entre 80 y 100oC, por lo quese suele disponer un sistema de calentamiento adicional en sualimentacin.


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Sistema Alimentacin

CombustibleCalentamiento de tanques Una forma simple de evaluar la potencia necesaria para calentar un tanque es:

t incremento de tiempo elegido para el incremento de temperatura Tincremento de temperatura Vvolumen de combustible en el tanque ccalor especfico del combustible Kj coeficiente de transmisin de calor de la superficie j Sj rea de la superficie j Tj temperatura en la superficie j

Las necesidades de calefaccin instantnea (por ejemplo calentamiento a la entrada de lasdepuradoras o para la inyeccin) se pueden estimar por:

qcaudal de combustible

superficies

( )exterior interior j j j jc V T

Q K S T T t

= + &

Q c q T = &


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Sistema Alimentacin

Combustible

Clculo de las prdidas de calor en los tanques

Ti

Zona Medio Exterior K (KJ/sm2C)Fondo Agua 0.004652

Pantoque inferior Agua 0.004652

Pantoque Agua 0.017445

Costado Aire 0.015119

Cubierta Aire 0.006978

Mamparo Carga 0.004652

Mamparo Vaco 0.005815

Mamparo Cmara de mquinas 0.004652

Temperaturas Exteriores (referencia)

Agua mar 0C

Aire atmosfrico -5C

Cmara de mquinas 20C

Cmara bombas 15C

Aire (tq.vaco) 5C

Prdidas

superficies

( )exterior interiorj j j jQ K S T T = &

S,K

Te

Tanque


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Sistema ElctricoSistema Elctrico Este sistema tiene como misin generar y/o proveer de energa

elctrica a los diferentes consumidores del buque.

Las caractersticas bsicas del sistema vienen definidas por los

usos, las especificaciones de los elementos y el requerimientode menor consumo energtico posible.

Las necesidades de energa elctrica son muy dependientes de

la situacin de operacin y por ello el dimensionamiento delsistema requiere la realizacin de un balance elctrico.

El balance elctrico se basa en la estimacin del consumoelctrico medio en cada situacin de operacin.


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Sistema ElctricoProyecto Elctrico/Balance Elctrico Se definen las diferentes situaciones de operacin del barco, entre las cuales

hay diferencias significativas de consumo elctrico (p.ej Navegacin, Maniobraatraque, Puerto, Carga, ...)

Se listan los diferentes consumidores elctricos en una tabla, indicando el

nmero de unidades instaladas y su potencia mxima. Se asignan factores de utilizacin para cada situacin y unidad.

Se determina el consumo medio en cada condicin, como suma de losconsumos medios de cada unidad.

Se asigna un margen de seguridad al consumo medio de cada situacin.

Se calcula el nmero y capacidad de los generadores elctricos y bateras, demanera que se cumplan las siguientes caracterticas:

Se han de poder servir todos los consumos en cada situacin.

El sistema de generacin/almacenamiento habr de tener la flexibilidad

suficiente como para atender todas las situaciones, funcionando con elmximo rendimiento posible.

El coste de instalacin y mantenimiento del sistema ser mnimo.


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Sistema ElctricoProyecto Elctrico/Balance Elctrico

Nmero de unidades instaladas. Consumo punta por unidad (Pmax): potencia mxima de la

unidad instalada.

Potencia total instalada.

Factor de utilizacin (Fu): Factor emprico que mide el rgimenmedio de funcionamiento en una situacin.

Nmero de unidades en servicio (NU) en una situacin.

Consumo (potencia) medio en una situacin: Fu x NU x Pmax

Elemento No. Instalado Potencia (Kw) Pot. Total (Kw) Situacin 1

NU Fu Pot.Media (Kw)

Bomba Agua Salada 2 25 50 1 0.8 20


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Sistema ElctricoProyecto Elctrico/Balance Elctrico

Se determina el consumo medio en cada condicin, como suma de losconsumos medios de cada unidad.

Se asigna un margen de seguridad al consumo medio de cada situacin.

Se calcula el nmero y capacidad de los generadores elctricos y bateras, demanera que se cumplan las siguientes caracterticas:

Se han de poder servir todos los consumos en cada situacin.

El sistema de generacin/almacenamiento habr de tener la flexibilidadsuficiente como para atender todas las situaciones, funcionando con elmximo rendimiento posible.

El coste de instalacin y mantenimiento del sistema ser mnimo.

Elemento No. Instalado Potencia (Kw) Pot. Total (Kw)

NU Fu Pot.Media (Kw)

Bomba Agua Salada 2 25 50 1 0.8 20

Bomba Agua Dulce 2 10 20 1 0.8 8

...

Total

Situacin 1 (Navegacin)


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Sistema ElctricoProyecto Elctrico (Consideraciones de diseo) Si se instala un nico generador, en condiciones de carga mnima, su

rendimiento ser muy bajo (los equipos tienen un lmite inferior depotencia generada).

Si se instalan varios generadores diferentes para atender a lasdiferencias de consumo, el sistema tendr gran flexibilidad y altorendimiento, pero se incrementarn los costes de instalacin ymantenimiento, y se necesitarn ms respetos.

Si se instalan varios generadores iguales, el nmero de respetosnecesarios disminuir, pero puede que el rendimiento del sistema seamenor en condiciones de carga elevadas.

El sistema debe tener capacidad de responder a la caida de (al menos)

un generador, por lo que debe haber un equipo de respeto.


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Sistema de Enfriamiento Sistema de Enfriamiento Existen a bordo diferentes equipos que requieren para su funcionamiento de un servicio derefrigeracin (culata, cilindros, turbosoplante, aceite, evaporador, ...).

El nico lquido refrigerante para ser utilizado a bordo cuya disponibilidad es inmediata,ilimitada y gratuita es el agua de mar, por lo que es evidente su utilizacin en este sistema.

Lamentablemente, el agua marina es muy corrosiva y su uso directo depende de lasespecificaciones de PH, cloro, sulfato y dureza del elemento. Es por ello que en la mayorade los casos se instalan circuitos de refrigeracin separados para el Agua Salada y AguaDulce (refrigerado a su vez por Agua Salada).

Por otra parte, hay consumidores que requieren que el agua la refrigeracin Altatemperatura (culata y camisas MP y MMAA, evaporador, ...) mientras que otros BajaTemperatura (aire admisin, aceite lubricante, ...), por lo que han de instalarse dos

circuitos (cuasi-) independientes. Una opcin es utilizar el agua, una vez refrigerados loselementos de Baja temperatura, para el circuito de Alta temperatura.

Asmismo, por exigencia de diferentes elementos, el sistema debe ser precalentado, paraacercarse a la temperatura de rgimen.

Los criterios principales del diseo son asegurar un servicio adecuado con el menor costede instalacin y mantenimiento.


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Sistema de Enfriamiento

Consumidor 1

Consumidor 2

...

Enfriadores

MotorPrincipal

MotoresAuxiliares

AguaSalada

Tomade Mar

AguaSalada (BajaTemperatura)

Agua Dulce(AltaTemperatura)

Esquema ms tradicional: Hay un circuito de agua salada que refrigera directamente unaserie de consumidores, mientras que un circuito de agua dulce enfra aquellos elementos demayor compromiso.

Los caudales de agua y temperaturas de alimentacin necesarios vienen definidos por lasespecificaciones de los elementos o teniendo en cuenta que:

refrigeracinP

( )salida entradaaguaCaudal

c T T=


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Enfriadores 1

Consumidor 1

Consumidor 2

...

Enfriadores 2

MotorPrincipal

MotoresAuxiliares

AguaSalada

Tomade Mar

Agua Dulce(BajaTemperatura)

Agua Dulce(AltaTemperatura)

Esquema con circuitos AD-AS separados: Hay un circuito de agua dulce que refrigera losconsumidores cuya alimentacin es a menor temperatura, mientras que otro circuito enfraaquellos elementos de mayor temperatura de entrada.

Los caudales de agua y temperaturas de alimentacin necesarios vienen definidos por lasespecificaciones de los elementos o teniendo en cuenta que:

refrigeracinP


c T T=


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Enfriadores

Consumidor 1

Consumidor 2

...

MotorPrincipal

MotoresAuxiliares

Agua

SaladaTomade Mar

Agua Dulce(Baja

Temperatura)

Agua Dulce(Alta

Temperatura)

Esquema de enfriamiento centralizado: Hay un nico circuito de agua dulce que refrigera todos losconsumidores. La regulacin de las temperaturas se hace mediante vlvulas de control de caudal.

Los caudales de agua y temperaturas de alimentacin necesarios vienen definidos por las especificaciones delos elementos, teniendo en cuenta que:

refrigeracinP


c T T=


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Sistema de Gobierno

d

C

H

do

Sistema de Gobierno

Daremos aqu las indicacionesbsicas para el proyecto de unsistema de gobierno tpico, cuyoselementos definitorios son el timny el servomotor.

Las caractersticas principales deltimn son: C: cuerda del timn

H: altura del timn

d: distancia del borde de ataque ala vertical del centro de presionesde la pala

do: distancia del eje de la mechadel timn a la vertical del centro

de presiones de la pala


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Sistema de Gobierno El proceso de diseo bsico del sistema de gobierno puede seguir estas

lneas:1.- Eleccin del tipo de timn o timones a emplear con su perfil hidrodinmico.Si no se dispone de mayor informacin, puede solventarse buscando informacin sobre buquesanlogos. Por otra parte existen perfiles hidrodinmicos NACA estndar, cuyo adecuado comportamientoes bien conocido.

2.- Determinacin del rea de la pala

El rea de la pala puede estimarse a partir de frmulas empricas, como las ofrecidas por diferentesSSCC. Por ejemplo DNV recomienda:

Donde AP es el rea mnima proyectada del timn y L,B,T, eslora, manga y calado del buque,respectivamente.

3.- Estudio de la posicin del timn y su acoplamiento al buqueEl rea calculada debe disponerse de manera adecuada al perfil del codaste del buque, teniendo encuenta que es recomendable que el timn cubra el dimetro de la hlice, e incluso supere en un 10% aste. Asimismo la relacin de aspecto del buque y el rea de compensacin deben estar de acuerdo a

los valores normales en el tipo de buques proyectados.

2

1 25100P

L T B

LA

= +


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Sistema de Gobierno4.- Determinacin del par torsor mximo y dela potencia del servomotor necesaria

El par torsor ( MT= Pndo) puede calcularse a partirde los valores de presin normal y centro depresiones de la pala. Estos valores pueden estimarsea partir de las caractersticas hidrodinmicas delperfil hidrodinmico o por las siguientes frmulas

experimentales (Jessel) para timonesrectangulares:

Siendo Cla cuerda del timn, S su superficie, V la

velocidad del agua que incide en el timn (enprimera aproximacin se puede suponer que es lavelocidad del buque), dla distancia entre el bordede ataque y el centro de presiones, y el ngulo demetida del timn. Pn es la presin normal.

Si el timn no fuera rectangular, habra que

descomponerlo en rectngulos elementales, a losque ya se pueden aplicar las frmulas anteriores.

d

C

H

do( )25.3 sin

0.2 0.3sin ,0.2 0.3sin

n

d S VP

C

= + =

+


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Sistema de Gobierno4.- Determinacin del par torsor mximo y de lapotencia del servomotor necesaria

El par torsor mximo se calcula para valores de entorno a 35 (que es el valor mximo defuncionamiento normal).

Las SSCC reglamentan el tiempo mximo (tm) paragirar el timn de una banda a otra (-35 a 35), loque nos permite calcular la potencia media necesariapara realizar esta accin, que puede ser utilizada para

estimar la potencia del servomotor requerida.

Es conveniente sealar la importancia que el rea de

compensacin (definida por la distancia d1) tienesobre la potencia de servomotor necesaria. La relacindel rea de compensacin y el rea de la pala sueleestar entre 0.2 y 0.3.

d

C

H

do( )

2

1

5.3 sin 35

0.2 0.3sin 350.2 0.3sin 35T

S V

C d

= +

+

d1

( )35 2

1

0

1 5.3 sin0.2 0.3sin

0.2 0.3sinm

m

S VP C d d

t

= + +


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Bibliografa El proyecto bsico del buque mercante

R. Alvario, J.J. Azproz y M. Meizoso.FEIN. Madrid 1997.

Construccin Naval I. Nomenclatura yTecnologa Navales.

F. Fernndez Gonzlez. ETSIN 1987. Equipo y Servicios.

E. Comas. ETSIN. 1985.

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