Impianti di propulsione navale

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1 Impianti di propulsione navale Motori diesel 4T Circuito acqua raffreddamento Il circuito acqua di raffreddamento asporta il calore generato dalle seguenti fonti principali: Cilindri motore; Aria di sovralimentazione; Olio lubrificante; Ausiliari dell impianto propulsivo. Il circuito è sempre formato da tre sotto-circuiti distinti: Circuito acqua dolce ad alta temperatura (AT) che asporta il calore dal motore e dal I stadio del refrigerante aria. Tale circuito può essere dotato di un proprio refrigerante acqua alta/acqua bassa temperatura oppure può essere del tipo a miscelazione con il circuito acqua bassa temperatura; Circuito acqua bassa temperatura (BT) che riceve il calore dal circuito ad AT, o attraverso un refrigerante o per miscelazione, e asporta calore dal II stadio del refrigerante aria, dal refrigerante olio e dagli ausiliari di tutto l impianto propulsivo. Tale circuito scambia sempre il calore con il circuito acqua mare attraverso i refrigeranti acqua dolce/acqua mare centralizzati; Circuito acqua di mare che riceve il calore dal circuito ad acqua dolce e lo dissipa scaricandolo in mare. Tale circuito negli impianti con motori a 4T ha generalmente un estensione ridotta al minimo indispensabile. 1

2 Motori diesel 4T Circuito acqua raffreddamento Per un impianto propulsivo con due o quattro motori 4T, il circuito acqua di raffreddamento può avere differenti configurazioni, precisamente: Circuito acqua dolce centralizzato: i circuiti acqua BT e AT sono a miscelazione e costituiscono un unico anello che scambia il calore per mezzo dei refrigeranti acqua dolce/acqua mare centralizzati. E un circuito che attualmente non viene molto utilizzato, contrariamente al passato, perchè paradossalmente è più costoso della soluzione con più circuiti e non offre le necessarie garanzie di sicurezza e disponibilità di tutti o parte degli impianti in caso di avarie, specialmente con particolari notazioni di classe che impongono la disponibilità di almeno il 50% dell impianto propulsivo in caso di qualsiasi tipo di avaria; Circuito acqua dolce comune a due motori: i circuiti acqua BT e AT sono sempre a miscelazione e costituiscono due anelli, ciascuno comune a due motori ed agli ausiliari della corrispondente propulsione, che scambiano il calore per mezzo di refrigeranti acqua dolce/acqua mare, un refrigerante per ogni copia di motori più un refrigerante in stand-by. Tale soluzione è in genere quella preferita sia per il costo sia per la sicurezza intrinseca di funzionamento; Circuito acqua dolce alta temperatura (AT) dedicato per ogni motore: ogni circuito AT è dotato di un proprio refrigerante acqua alta/bassa temperatura mentre il circuito BT è comune a due motori come nel caso precedente o, molto più raramente, comune a tutti i motori ed agli ausiliari della propulsione; 2

3 Impianti di propulsione navale Motori diesel 4T Circuito acqua raffreddamento Circuito ad acqua di mare: per qualsiasi tipo di configurazione dei circuiti acqua dolce AT e BT, il circuito acqua mare è sempre il più localizzato possibile in modo da limitare l estensione delle tubazioni tra le prese mare, le pompe i refrigeranti e lo scarico fuoribordo. I refrigeranti acqua mare/acqua dolce possono essere minimo due massimo quattro, a seconda della soluzione adottata per il circuito acqua dolce. Le pompe acqua AT e BT possono essere sia trascinate dal motore sia elettropompe esterne. Le pompe trascinate sono sistemate all estremità libera del motore ed il circuito è provvisto di una connessione per la pompa di stand-by. Normalmente un impianto plurimotore come quello in oggetto ha entrambe le pompe AT e BT trascinate dal motore e non ha pompe elettriche di stand-by. Tuttavia alcune Società di Classifica anche per tali impianti richiedono o pompe di stand-by o pompe di ricambio a bordo e il progettista normalmente sceglie quest ultima soluzione; I circuiti acqua AT e BT vengono distinti in: Circuito interno al motore con configurazione standard definita dal costruttore del motore e con le uniche opzioni di fornitura con o senza pompe trascinate e connessione per le pompe in stand-by; Circuito esterno al motore con configurazione raccomandata dal costruttore del motore ma definita dal progettista navale in base alla specifica tecnica contrattuale; 3

4 Circuiti acqua AT e BT interni al motore: (451) 4

5 Componenti del circuito acqua AT e BT interno al motore: 01: Primo stadio del refrigerante aria di sovralimentazione refrigerato ad acqua AT; 02: Secondo stadio del refrigerante aria di sovralim. refrigerato ad acqua BT; 03: Pompa acqua AT trascinata dal motore. ( ) Opzionale; 04: Pompa acqua BT trascinata dal motore. ( ) Opzionale; 05: Valvole di non ritorno. Connessioni circuito acqua AT: 401: Ingresso acqua al motore; 402: Uscita acqua dal motore; 404A/B: Sfoghi aria cilindri motore; 406: Ingresso acqua dal gruppo di preriscaldo; 408: Ingresso acqua dalla pompa di stand-by. ( ) Opzionale; 411: Drenaggio del circuito; 416A/B: Sfoghi aria del refrigerante; Connessioni circuito acqua BT con turbosoffianti lato libero: (451): Ingresso acqua al motore; 452: Uscita acqua dal motore; 454A/B: Sfoghi aria del refrigerante; 457: Ingresso acqua dalla pompa di stand-by. ( ) Opzionale; 468: By-pass del refrigerante aria; Connessioni circuito acqua BT con turbosoffianti lato volano: 451: Ingresso acqua al motore; 474: Ingresso acqua alla pompa; 475: Uscita acqua dalla pompa; 5

6 Circuito acqua AT e BT esterno al motore del tipo a miscelazione con pompe trascinate: 6

7 Circuito ad acqua di mare: 7

8 Impianti di propulsione navale Componenti principali del circuito acqua di raffreddamento: Motori 01: Motore con turbosoffianti sistemate all estremità libera; 02: Motore con turbosoffianti sistemate lato volano; Circuito acqua AT 4N01: Gruppo di preriscaldo costituito da una pompa centrifuga (4P04) e da un riscaldatore (4E05), normalmente a vapore o elettrico; 4S01: Separatore aria; 4V01: Valvola termostatica tarata a 91 C, normalmente del tipo motorizzato con sensore esterno, per il controllo della temperatura acqua uscita motore; 4N02: Gruppo evaporatore per la produzione di acqua dolce; 4V02: Valvola termostatica, normalmente del tipo motorizzato con sensore esterno, per il controllo della temperatura dell acqua all ingresso del motore che è miscelata con quella del by-pass. La taratura varia da un minimo di 60 C ad un massimo di 75 C, nel caso in cui è prevista un elevata produzione di acqua dolce e quindi è necessario diminuire la portata del bypass motore ed aumentare quella verso l evaporatore; 4T03: Cassa dosaggio additivi; 4T04: Cassa drenaggio circuito; 4P09: Pompa di trasferimento per il riempimento del circuito; 4T05: Cassa compenso di entrambi i circuiti acqua AT e BT. 8

9 Componenti principali del circuito acqua di raffreddamento (continua): Circuito acqua BT 4V09: Valvola termostatica, normalmente del tipo motorizzato con sensore esterno, per il controllo della temperatura dell aria di sovralimentazione. La valvola regola la portata dell acqua attraverso il II stadio del refrigerante aria in modo da mantenere costante a 55 C la temperatura dell aria ingresso motore; 2E01: Refrigerante olio lubrificazione/acqua dolce, normalmente del tipo a piastre, collegato in serie al II stadio del refrigerante aria. Riceve sempre la piena portata della pompa acqua BT, indipendentemente dalla regolazione della valvola termostatica, ed è proporzionato per una temperatura di 45 C e con un fouling factor di circa il 15%; 4S01: Separatore aria; 4V03: Valvola termostatica motorizzata con sensore esterno per il controllo automatico della temperatura dell acqua a bassa temperatura in uscita dal refrigerante (tarata a 38 C); 4P06: Pompe circolazione acqua del circuito degli ausiliari della propulsione; 4E12: Refrigeranti acqua dolce/acqua dolce degli ausiliari della propulsione, normalmente del tipo a piastre, collegati sempre in parallelo tra di loro; 9

10 Componenti principali del circuito acqua di raffreddamento (continua): Circuito acqua di mare 4F01: Filtri acqua mare (strainer) con grado di filtraggio fino a 6 mm; 4P11: Pompe centrifughe acqua mare con portata e prevalenza definite in base al tipo di refrigerante e alla quantità di calore da asportare; 4E08: Refrigerante centralizzato acqua dolce/acqua mare, normalmente del tipo a piastre, proporzionato con un fouling factor di circa il 15%; Indicazioni di progetto: Cadute di pressione nel circuito: Le cadute di pressione devono essere calcolate per il circuito completo per controllare il punto di funzionamento delle pompe centrifughe acqua AT e BT; Devono essere valutate le portate in ogni ramo del circuito, le perdite di carico distribuite e quelle localizzate indotte dagli ausiliari d impianto, dalle valvole, dai gomiti e dalle variazioni di diametro delle tubazioni; Il calcolo deve essere ripetuto variando la cadute di pressione nei dispositivi di regolazione presenti nei rami più significativi del circuito, semplici lenti o valvole tarate, fino a bilanciare la pressione nei nodi di congiunzione; 10

11 Impianti di propulsione navale Indicazioni di progetto (continua): Preriscaldo del motore: L acqua di raffreddamento del circuito acqua AT deve essere riscaldata ad almeno 60 C, ma è preferibile a 70 C, prima di avviare il motore; Il riscaldamento dell acqua avviene attraverso un riscaldatore dedicato o con l acqua calda di un altro motore propulsivo in funzionamento o con quella del circuito dei motori diesel elettrogeni; In un impianto con due+due motori, ciascuno dei due riscaldatori può essere proporzionato per riscaldare un solo motore, se consentito dalle condizioni operative della nave; La sorgente di energia per il riscaldatore può essere vapore, energia elettrica o olio diatermico; La potenzialità del riscaldatore deve essere di 12 kw/cil., valore che consente di riscaldare l acqua AT da 20 C a circa C in ore. Per tempistiche più rapide di riscaldamento, ogni costruttore fornisce o un grafico o formule per valutare tale potenzialità; Cassa di compenso: Il volume della cassa deve essere circa il 10% del volume totale dell acqua in circolazione; La pressione indotta dalla cassa all ingresso delle pompe acqua AT e BT deve essere compresa tra 0,7 e 1,5 bar; 11

12 Impianti di propulsione navale Indicazioni di progetto (continua): Refrigerante centralizzato acqua dolce/acqua mare : Sono generalmente utilizzati refrigeranti a piastre di titanio ma possono essere utilizzati anche refrigeranti a fascio tubiero in cupro-nichel; Ogni refrigerante è normalmente comune a due o più motori; La portata di acqua dolce attraverso il refrigerante, in una configurazione del circuito come quella esposta, è pari alla somma delle portate delle pompe acqua BT; La caduta di pressione ammissibile lato acqua dolce è di circa 0,6 bar, o inferiore se ci sono eccessive perdite di pressione nel circuito; La caduta di pressione ammissibile lato acqua mare è di circa 0,8 1,2 bar; La temperatura di ingresso dell acqua mare al refrigerante è di 32 C; La temperatura di uscita dell acqua dolce dal refrigerante deve essere di 38 C; Il proporzionamento del refrigerante deve essere eseguito con un fouling factor minimo di circa il 15%; Il telaio fisso del refrigerante deve avere una lunghezza idonea per consentire l installazione di almeno il 20% di piastre addizionali; La sistemazione del refrigerante deve prevedere uno spazio libero per le manutenzioni, almeno su un lato, di larghezza pari circa al 70% di quella trasversale delle piastre. 12

13 Motori diesel 4T Circuito acqua raffreddamento Formule per il calcolo del bilancio termico: Formula scambio termico: P d = c Q (T u T i ) nella quale P d = potenza dissipata in kw c = calore specifico dell acqua = 4,1868 kj/k kg Q = portata in kg/s = (1000 m 3 )/(h 3600)= (m 3 /h)/3,6 T u = Temperatura di uscita in gradi centigradi T i = Temperatura di entrata in gradi centigradi; Temperatura acqua AT entrata motore: T i = T u (P C + P RA )/(c Q /3,6) con P C = potenza dissipata camicie in kw P RA = potenza dissipata I stadio refr. aria in kw c = calore spec. dell acqua = 4,1868 kj/k kg Q = portata in m 3 /h T u = temperatura acqua uscita motore = 91 C; Temperatura acqua BT uscita motore: T u = T i + (P RA )/(c Q /3,6) con P RA = potenza diss. II stadio refr. aria in kw T i = temper. acqua ingresso motore = 38 C 13

14 Motori diesel 4T Circuito acqua raffreddamento Formule per il calcolo del bilancio termico: Dissipazione refrigerante centralizzato: P = n (P C +P O +P RA +P RA )+P A con P = potenza dissipata totale in kw n = numero motori P C = potenza dissipata camicie in kw P O = potenza dissipata refrig. olio in kw P RA = potenza diss. I stadio refr. aria in kw P RA =potenza diss. II stadio refr. aria in kw P A = potenza dissipata ausiliari prop. in kw Equazione di equilibrio di nodi di miscelazione: Q 1e ; T 1e Q 2e ; T 2e Q u T u = Q 1e T 1e + Q 2e T 2e Q u ; T u Equazione di equilibrio di nodi di deviazione: Q 1u ; T 1u Q 2u ; T 2u Q e T e = Q 1u T 1u + Q 2u T 2u Q e ; T e 14

15 Bilancio termico circuito acqua raffreddamento: Esercitazione Fincantieri - Direzione Navi Mercantili Motori propulsivi Motori: 12V46C Progetto: Esercitazione Costruzione: ---- MC-GAM marzo-07 CARATTERISTICHE MOTORE SISTEMA ACQUA RAFFREDDAMENTO POTENZA DISSIPATA AL 100% MCR NUMERO CILINDRI 12 COMBINATO CAMICIE CILINDRO kw POTENZA PER CILINDRO kw REFRIGERANTE ARIA AT kw POTENZA TOTALE (MCR) kw REFRIGERANTE ARIA BT kw VELOCITA' NOMINALE 500 RPM SISTEMA ACQUA BRUTA REFRIGERANTE OLIO kw NUMERO DI MOTORI 2 ACQUA MARE TOTALE POTENZA DISSIPATA kw DATI SISTEMA ACQUA RAFFREDDAMENTO CIRCUITO ACQUA AT CIRCUITO ACQUA BT CIRCUITO ACQUA MARE PORTATA POMPA ACQUA 270,0 m 3 /h PORTATA POMPA ACQUA 270,0 m 3 /h PORTATA POMPA ACQUA 980,0 m 3 /h TEMPERAT. REG. VALVOLA 1A 91,0 C TEMPERAT. REG. VALVOLA 1B 51,0 C TEMPERAT. REG. VALVOLA 2A 60,0 C TEMPERAT. CIRCUITO CENTR. 38,0 C TEMPERAT. INGRESSO MAX 32,0 C DISSIP. CAMICIE CILINDRO kw DISSIP. REFRIGERANTE ARIA kw DISSIP. REFRIGERANTE ARIA kw DISSIP. REFRIGERANTE OLIO kw TEMPERAT. REG. VALVOLA ---- C 15

16 Bilancio termico circuito acqua raffreddamento: Esercitazione (continua) Fincantieri - Direzione Navi Mercantili Ausiliari Motori: 12V46C Progetto: Esercitazione Costruzione: ---- MC-GAM marzo-07 REFRIGERANTI - SISTEMA ACQUA BT DISSIPAZIONE PORTATA ACQUA RIDUTTORE DI VELOCITA' 245 kw 70,2 m 3 /h GENERATORE ASSE 2 kw 12 m 3 /h UNITA' CONTROLLO PASSO ELICA 25 kw 2,5 m 3 /h CUSCINETTI LINEA D'ALBERI 12 kw 1,5 m 3 /h STABILIZZATORI 30 kw 6,5 m 3 /h COMPRESSORI ARIA AVVIAMENTO 18,2 kw COMPRESSORE ARIA VENTILAZIONE EMERGENZA 35 kw 2,8 m 3 /h 10 m 3 /h COMPRESSORE ARIA CONTROLLO/SERVIZIO 13,3 kw 2,1 m 3 /h COMPRESSORE MAGAZZINO FRIGORIFERO 35 kw ELICHE MANOVRA 63 kw 5,5 m 3 /h 17 m 3 /h TOTALE 478,5 kw 130,1 m 3 /h 16

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18 Fincantieri - Direzione Navi Mercantili Motori: 12V46C Progetto: Esercitazione Costruzione: ---- MC-GAM marzo-07 BILANCIO TERMICO AL: 100% MCR DN ,1 m 3 /h 38,0 C B DN125 Riduttore 70,2 m 3 /h 245 kw 41,0 C DN50 Generatore asse 2 kw 12,0 m 3 /h 38,1 C DN150 B DN32 130,1 m 3 /h Unità passo elica 2,5 m 3 /h 41,2 C 25 kw 46,6 C Ai motori DN32 Cuscinetti 1,5 m 3 /h 12 kw 44,9 C DN40 Dai motori Stabilizzatori 30 kw 6,5 m 3 /h 42,0 C DN32 Compressori avv. 2,8 m 3 /h 18,2 kw 43,6 C DN50 Compr. aria vent. 10,0 m 3 /h 35 kw 41,0 C DN32 Compr. aria contr. 2,1 m 3 /h 13,3 kw 43,4 C DN40 Compr. magaz. frig. 5,5 m 3 /h 35 kw 43,5 C DN65 Eliche manovra 17,0 m 3 /h 63 kw 41,2 C Legenda: Circuito BT Totale ausiliari 479 kw 18

19 Motori diesel 4T Circuito acqua raffreddamento Trattamento dell acqua di raffreddamento All interno del motore può circolare solo acqua trattata con inibitori di corrosione approvati dal fornitore del motore diesel; E importante utilizzare acqua di qualità accettabile, demineralizzata e condensata, e inibitori di corrosione approvati fin dal primo riempimento del circuito; I parametri raccomandati per l acqua sono i seguenti: ph minimo 6,5; Durezza 10 gh, in caso di valori più alti l acqua deve essere addolcita; Contenuto di cloruri massimo 80 mg/l; Contenuto di solfati massimo 150 mg/l; La lista degli inibitori di corrosione da impiegare è fornita dal costruttore del motore per ogni applicazione, unitamente alle istruzioni per il dosaggio e per il controllo dei valori previsti; Le tubazioni acqua dolce non devono essere zincate in quanto molti inibitori di corrosione possono avere una base di nitriti che attaccano lo strato di zinco e formano fanghi. 19