UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

PRCTICA N 02 DEL CURSO DE MQUINAS MARINAS I (MV-315)

TEMA: SALA DE MQUINAS Y SISTEMA DE COMBUSTIBLE

PERTENECE A: CABELLO LPEZ, AUGUSTO ELMER

CDIGO: 20074035G

ESPECIALIDAD: INGENIERA NAVAL

SECCIN: A

PROFESOR: ING. VCTOR NILO ACOSTA PASTOR

2010

Tipos de sala de mquinas y sistema de combustible de algunos buques

1.- Introduccin.

Para mostrar el tema de la segunda prctica calificada, he querido escoger dos buques hechos en proyecto para explicar la disposicin de su sala de mquinas y los clculos realizados del sistema de combustible. Con respecto a la sala de mquinas, mostrar el clculo de la eslora de sala de mquinas respectivo y referido al sistema de combustible, muestro la cantidad de tanques y bombas que conforman dicho sistema. Esto se har a manera de aprender la forma como debe estar dispuesto la planta de ingeniera y el sistema de abastecimiento de combustible.

Estas embarcaciones constan de un buque petrolero en proyecto y una barca de cabotaje (de operacin cerca al puerto del estado ribereo). Cada tipo de embarcacin tiene su propia distribucin de su sala de mquinas y su sistema de combustible.

Figura 1. Muestra de un motor marino DU-Suitzer 12RT A96C.

2.- Estimacin de la eslora de la sala de mquinas.

Los buques de carga en la actualidad tienen su cmara de mquinas en la zona de popa. Es por eso que vamos a mostrar las frmulas de la estimacin de la eslora de la sala de mquinas de distintos tipos de buques, y estos son:

Para petroleros y quimiqueros.

Para cargueros rpidos y porta-contenedores.

Para porta-contenedores con cmara de mquinas a de LPP.

Para cargueros normales y graneleros.

Para buques frigorficos.

Donde:

LPP: Es la eslora entre perpendiculares.MCO: Es la potencia mxima continua del motor.

Figura 2. Muestra de un buque petrolero en plena navegacin.

3.- Ejemplo de un buque petrolero de crudo.

3.1.- Datos generales.

3.2.- La cmara de mquinas.

Como es habitual para este tipo de buques, la cmara de mquinas se ubica completamente en popa. Esta zona comprende, los tanques situados entre el mamparo principal de proa de cmara de bombas y el mamparo del pique de popa, incluyendo los tanques de doble fondo y costado, el interior del guardacalor y el interior de la chimenea. El doble fondo y costado de la cmara de mquinas incluye tanques de combustible (que no deben estar en contacto directo con el mar), de aceite, tanques de reboses, etc., as como tomas de mar, pozos y tanque de sentina y cofferdams. Por otro lado para hacer una estimacin de la eslora de la cmara de mquinas se utiliza la expresin sacada del Proyecto Bsico Del Buque Mercante:

Tomaremos la eslora de la cmara de mquinas mayor, 40 m (eslora suficiente para este tipo de buque). Se toma una distancia entre cuadernas de 800 mm, de tal forma que siendo 40 m mltiplo de esta cantidad, habr 50 claras entre cuadernas. Por tanto, los mamparos de popa y proa que limitan la cmara de mquinas estn a 15 y 55 m respectivamente (del eje de la mecha del timn en popa).

La altura de doble fondo en cmara de mquinas es la misma que la zona de carga (de 3.5m), pero podra ser algo menor en la zona de la bancada del motor para que sea posible la alineacin del eje. La estructura de la bancada o poln del motor deber ser reforzado tal y como indique el fabricante del mismo, as como sus dimensiones. A proa de la sala de mquinas se situar la sala de bombas. En la sala de mquinas habr las plataformas horizontales alrededor del motor que sean necesarias (normalmente 3), y unos mamparos verticales lmite de tanques, los cuales se les har coincidir con los mamparos transversales de proa y popa de la superestructura y la chimenea.

3.3.- Sistema de combustible.

3.3.1.- Introduccin.

El servicio de abastecimiento de combustible al motor marino se divide en tres partes:

Trasiego: Incluye los tanques de almacenamiento y sedimentacin, las bombas de trasiego y el filtro.

Purificacin: Constituido por la bomba previa a la depuradora, el pre-calentador y la depuradora en s.

Suministro: Nos referimos en este caso a los tanques de servicio diario, bombas de suministro y el que hemos denominado sistema de inyeccin del motor.

Figura 3. Esquema del circuito del sistema de combustible.

3.3.2.- Dimensionamiento de tanques.

El Convenio MARPOL en su Anexo I (Reglas para prevenir la contaminacin por hidrocarburos), Captulo III (Prescripciones aplicables a los espacios de mquinas de todos los buques), regla 12 A (proteccin de tanques de combustible lquido) aplicable a buques con una capacidad total de combustible igual o superior a 600 m3, establece que la capacidad mxima de cada tanque no ser superior a 2.500 m3.

En el caso de los buques cuya capacidad total de combustible lquido sea igual o superior a 600 m3, los tanques de combustible lquido irn dispuestos por encima de la lnea de trazado de las planchas del forro del fondo, y en ningn caso a menos de la distancia (h) indicada a continuacin:

h = B/20 (m), o bien h = 2.0 m, si este valor es inferior. Valor mnimo de h = 0.76 m.

Respecto a la zona de la curva del pantoque, en buques con capacidad de combustible lquido superior a 5.000 m3, estos tanques irn dispuestos por dentro de la lnea de trazado de las planchas del forro del costado, y en ningn caso a menos de la distancia (w) medida en cualquier seccin transversal perpendicularmente al forro del costado, como se indica a continuacin:

w = 0.5 + (C/20 000) m, siendo C la capacidad total de combustible, o bien w = 2.0 m, si este valor es inferior. Valor mnimo de w = 1.0 m

En resumen, en la zona de cmara de mquinas, existir un doble fondo de 2 m. y un doble costado de al menos 1.1 m. de espesor.

Figura 4. Ubicacin de tanques de combustible lquido (segn MARPOL).

Los principales consumidores de fuel-oil son el motor principal, los motores auxiliares y las calderas. Adems, para las arrancadas y paradas prolongadas, se dispondr de dos tanques de diesel oil. A la hora de dimensionar los tanques, consideraremos que un 5% del combustible est en las tuberas a lo largo del circuito.

a.- Tanque de servicio diario: Este tanque contendr suficiente combustible para abastecer al motor principal durante 8 horas segn las normas de L.R.S. (Parte 5; captulo 14; seccin 4.18) Adems se le da un 10% adicional de capacidad ya que en este tanque se acaban almacenando al fondo los lodos y as aseguramos el abastecimiento del motor durante las horas requeridas. Adems, para asegurar un vaciado adecuado, la superficie inferior del tanque estar ligeramente inclinada. La capacidad de este tanque, por tanto, responde a la siguiente expresin:

Segn las especificaciones del motor, el consumo especfico del motor principal a la mxima presin media efectiva (20 bar) es de 167 g/kW-h.

En este punto debemos tener en cuenta tambin el consumo de los motores auxiliares, que trabajan tambin con combustible pesado. El consumo de cada uno de los tres motores auxiliares es de 190 g/kW-h, siendo la MCR de 1.470 kW.

Supondremos un 4% de margen para considerar ciertas condiciones que hacen que el consumo en condiciones ideales se diferencie de aquel en condiciones reales (contenido de agua en el combustible pesado, prdidas en el circuito, etc.)

Se dispondrn dos tanques de la misma capacidad para asegurar un abastecimiento constante del motor. Para calcular la capacidad cbica de este tanque, tendremos en cuenta que se pierden del orden de un 4% entre refuerzos internos y serpentines, por lo que el volumen ocupado por dichos tanques ser:

Estos dos tanques diarios estarn situados en la zona de cmara de mquinas sobre la primera plataforma. Ms especficamente, se ubicarn como se muestra en el recuadro:

b.- Tanque de sedimentacin: Este tanque contendr suficiente combustible para abastecer al motor principal y a dos auxiliares durante 24 horas. Por la misma razn que el tanque de servicio diario, tendrn la superficie inferior ligeramente inclinada. Para su dimensionamiento se toma un margen mayor, del 20%, porque los lodos que se acumulan en su fondo son mayores.

Al igual que en el caso anterior y por la misma razn, se dispondrn de dos tanques de la misma capacidad y se situarn sobre el suelo de la cmara de mquinas, a 3.5 m del costado del buque y simtricamente respecto a cruja:

c.- Tanque de almacn: En el caso de los tanques de almacn, habr siempre dos o mltiplos de dos (en nuestro caso, consideremos cuatro tanques).

Su capacidad ser funcin de la capacidad de los anteriores y de la total, es decir, la calculamos restando de la capacidad de fuel oil del proyecto, la del fuel oil que se encuentra en las tuberas y las de los tanques de servicio diario y sedimentacin.

Segn las especificaciones del proyecto, tenemos una capacidad total de fuel oil de 12.000 m3 y considerando la mxima densidad posible (1,01 tons/m3) esto equivale a 12.120 tons.

Este volumen se divide entre varios tanques de almacn, que en nuestro caso decidiremos que sean seis tanques, situados simtricamente en el buque y repartidos entre la segunda, tercera y cuarta plataforma de la cmara de mquinas.

d.- Tanque colector de retornos: En el colector de retornos, tendremos una mezcla de combustibles: el que viene del tanque de servicio diario y el que procede de los inyectores. La capacidad de este tanque es la cantidad de combustible que emplea el motor en 20 minutos de funcionamiento:

Este tanque se ubicar en el doble fondo de la cmara de mquinas.

e.- Tanque de reboses de combustible: El tanque de reboses tambin almacena combustibles que provienen de diversos lugares y desde l se trasiega peridicamente al tanque de sedimentacin. A efectos de clculo se considera como un tanque de almacn (ya estudiado previamente). Su capacidad es la del combustible necesario para abastecer al motor principal durante 5 horas.

Tambin este tanque se ubica en el doble fondo de la cmara de mquinas, a babor del tanque de aceite y separado del mismo por un cofferdam.

f.- Tanque de lodos: El tanque de lodos almacena los lodos que se obtienen al vaciar el fondo de los tanques de sedimentacin y de servicio diario, as como los residuos de la depuracin del combustible. Para su dimensionamiento recurrimos al convenio MARPOL (de la OMI). En el Anexo I de este convenio (Reglas para la prevencin de contaminacin por hidrocarburos), la regla 17 (Tanques para residuos de hidrocarburos - fangos) especifica que para buques construidos posteriormente al 31 de diciembre de 1990, y que no lleven agua de lastre en los tanques de fuel oil, la capacidad mnima de los tanques de lodos se calculan con la siguiente expresin:

Siendo K1 un coeficiente igual a 0.015 (para buques en los que se purifique fuel oil pesado destinado para la mquina principal), C el consumo diario de fuel oil (en m3) y D la duracin mxima del viaje en das del buque entre puertos en que se puedan descargar los fangos a tierra (a falta de una cifra exacta, se tomarn 30 das). Haciendo clculos, obtenemos un volumen de:

Las descargas del tanque de lodos se deben poder enviar a tanques de recepcin en tierra, incineradores y tanques de slop a travs de una manguera con una vlvula anti-retorno, una vlvula de cierre y un sifn.

Este tanque debe poder acoplarse con el conducto de las instalaciones de recepcin mediante su conducto de descarga. Para ello, estar provisto de una conexin universal cuyas dimensiones se especifican en el Convenio MARPOL, Anexo I, captulo III, regla 13 (conexin universal a tierra). El tanque de lodos deber ubicarse justo debajo de las separadoras de combustible o lo ms cercano posible. En nuestro caso, decidimos situarlo en el doble fondo, debajo de los tanques de sedimentacin y servicio diario y en la misma banda que el local de las separadoras (estribor).

g.- Tanques de diesel oil: El diesel oil se emplear slo para arrancadas y paradas del motor principal y de los auxiliares. Para este combustible, contaremos con un tanque almacn y otro de servicio diario. Se optar por hacer un smil con un buque base y obtenemos un equivalente de un 4% de la capacidad de fuel oil. Por tanto, nosotros tendremos 480 m3 de diesel oil.

Dimensionaremos el tanque de servicio diario para que tenga la capacidad suficiente para abastecer al motor principal durante diez horas:

Respecto al tanque de almacn calculamos su capacidad restando de la capacidad total de fuel oil:

A la hora de ubicar estos tanques en la cmara de mquinas, se opt por contar con un tanque de almacn centrado en cruja y dos de servicio diario, uno a cada lado del anterior, y todos ellos en el doble fondo. La ubicacin de estos tanques ser la siguiente:

3.3.3.- Dimensionamiento de las bombas.

Todas las bombas de combustible (pesado o destilado) debern ser de desplazamiento positivo, bien de engranajes, bien de husillos con comunicacin de aspiracin y retorno a travs de una vlvula tarada integrada. Para definir las bombas del circuito, necesitamos conocer su caudal y la potencia necesaria para accionarlas. Las presiones vendrn fijadas por el fabricante del motor.

a.- Bomba de trasiego: Esta bomba es la que aspira del tanque de almacn y descarga en el de sedimentacin de combustible. El caudal de las bombas de trasiego ser el mayor de las siguientes tres opciones (deben ser capaces de llevar a cabo las tres actividades):

* Achique completo de un tanque de almacn de combustible en 12 horas trabajando las dos simultneamente:

* Llenado de un tanque de sedimentacin en una guardia de 4 horas:

* Garanta de caudal igual a diez veces el consumo del motor principal:

Vemos que el primero es el mayor, con lo que las bombas de trasiego debern ser capaces de suministrar 95.121 m3/h. Suponiendo un rendimiento volumtrico de la bomba de 0.6, un salto de presin de trabajo de 3 kg/cm2 (3 bar) y un rendimiento elctrico de 0.8, la potencia absorbida y la necesaria para activar cada bomba es de:

b.- Bomba previa a la depuradora: Esta bomba se estudiar especficamente en el siguiente tema (sistema de depurado del combustible), junto con el resto de elementos del servicio de purificacin de combustible.

c.- Bomba de suministro o de baja: Esta bomba absorbe combustible del tanque de servicio diario y descarga en el sistema de inyeccin del motor en el colector de retornos y su caudal ser ligeramente superior a mximo consumo del motor. El circuito de baja se mantiene a una presin de 5 bares para evitar la gasificacin del combustible. El fabricante recomienda un caudal de 9.775 m3/h. As, las caractersticas de esta bomba sern las siguientes:

Considerando un rendimiento mecnico de 0.6 y uno elctrico de 0.8, las potencias necesarias para mover esta bomba y la absorbida por esta bomba sern:

d.- Bomba de circulacin o de alta: Esta bomba aspira del colector de retornos y descarga en el calentador que proporciona al combustible la temperatura necesaria para que la viscosidad sea la adecuada para entrar ya en el motor.

Para asegurar que nunca trabaja en vaco, su caudal ser superior al consumo del motor, ms especficamente del orden de 3 a 4 veces superior y trabajar a una presin de 10 bar de tal forma que la presin medida en el motor a la altura de las bombas de fuel sea del orden de 7 a 8 bar. El fabricante recomienda un caudal de 17.638 m3/h. Las caractersticas sern:

Considerando los mismos rendimientos que en el caso de la bomba de baja, las potencias necesarias para mover esta bomba y la absorbida por la misma sern:

3.3.4.- Sistema de depuracin de combustible.

Los combustibles pesados tienen en general muchas impurezas y contenidos en agua que pueden llegar a un 2 %, pudiendo ser agua salada y, por tanto, con alto contenido en sodio, adems de las impurezas aadidas por transporte y almacenamiento. Estas sustancias pueden daar las bombas de combustible, los inyectores, las vlvulas de exhaustacin, etc. por lo que es necesario depurar el combustible. Los slidos por debajo de cierto tamao y los lquidos no deseados, slo pueden ser eliminados por decantacin aprovechando la diferencia de densidades.

Se utilizar un sistema formado por dos separadoras de combustible (de tipo auto-limpiables), que aspiran del tanque de sedimentacin y descargan en el tanque de servicio diario, con una capacidad mnima cada una de un 115-120% del consumo del motor, como recomienda el fabricante del mismo. Estas separadoras se usan para eliminar las impurezas que suelen incorporar los combustibles pesados (principalmente agua y lodos).

Previamente a la entrada de las depuradoras, se eleva la temperatura del combustible, hacindolo pasar por un pre-calentador que controlar la temperatura de separacin en 2C. Las separadoras estarn conectadas en serie y una de ellas actuar de purificadora (eliminar lodos y agua) y la otra de clarificadora (eliminar lodos y slidos) para mejorar la separacin y proporcionando un margen de seguridad por si la purificadora no estuviera bien regulada.

a.- Separadoras: La capacidad de las depuradoras se calcular mediante la siguiente expresin y con un tiempo de separacin de 23 horas:

Seleccionamos de entre los fabricantes, la separadora de la marca ALFA LAVAL (modelo MOPX 309), cuyo esquema de funcionamiento figura a continuacin:

Figura 5. Esquema de operacin de una separadora de combustible (ALFA LAVAL).

b.- Bombas separadoras: Para la alimentacin de las separadoras centrfugas se dispondr de dos bombas de desplazamiento positivo. Para que el caudal calculado llegue a las bombas, la presin debe ser mayor y teniendo en cuenta que en el pre-calentador tendremos una prdida de presin de 1.5 bar y que queremos una presin a la salida de 3 bar, las bombas debern descargar a 5 bar. Con todo esto, la potencia necesaria para el tratamiento del fuel oil ser la siguiente:

3.3.5.- Calentador de fuel oil.

El cambiador de calor est ya incluido dentro del circuito de alta presin, por lo que trabajar a 10 bar como el resto del circuito. Este calentador ser de tubos debido a su mayor rapidez de respuesta.

El calentador sirve para calentar el combustible y prepararlo para su entrada en la inyeccin del motor. Para saber la temperatura a la que tiene que salir el combustible del cambiador de calor, recurrimos al diagrama T- y obtenemos una temperatura de 150 C, que corresponde a una viscosidad de 15 cSt (centi-stoke). Las caractersticas del cambiador de calor del combustible sern las siguientes:

3.3.6.- Filtro de limpieza.

El filtro que seleccionaremos ser de limpieza automtica y se situar lo ms cerca posible a las inyectoras del motor, a fin de protegerlas lo ms posible. Sus caractersticas sern las siguientes (referidas al filtro de combustible):

4.- Ejemplo de una barca de cabotaje (de carga general).

4.1.- Datos generales.

4.2.- El sistema de almacenamiento de combustible.

4.2.1.- Clculo de volumen de fuel-oil a calcular.

4.2.2.- Elementos integrantes del sistema de almacenamiento.

a.- Tanques de almacn de fuel-oil.

b.- Tanques de sedimentacin.

c.- Tanques de servicio diario.

d.- Tanques del sistema de diesel-oil.

4.2.3.- Elementos integrantes del sistema de trasiego.

a.- Tanque de reboses de fuel-oil.

b.- Bombas de trasiego de fuel-oil.