01015-circuito acqua raffreddamento - unina.stidue.netunina.stidue.net/universita' di...

Data: 26/02/2007

Impianti di propulsione navale

1

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.

Data: 26/02/2007


2


� 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;

Data: 26/02/2007


3

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;

Data: 26/02/2007


4

Motori diesel 4T - Circuito acqua raffreddamento - Motori Wärtsilä 12V46C

� Circuiti acqua AT e BT interni al motore:

(451)

Data: 26/02/2007


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;

Data: 26/02/2007


6

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


Data: 26/02/2007


7

� Circuito ad acqua di mare:


Data: 26/02/2007


8

� 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 by-pass 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.


Data: 26/02/2007


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;


Data: 26/02/2007


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;


Data: 26/02/2007


11

� 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 60÷÷÷÷70 °C in 10÷÷÷÷15 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;


Data: 26/02/2007


12

� 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.


Data: 26/02/2007


13


� Formule per il calcolo del bilancio termico:� Formula scambio termico:

Pd = c ⋅⋅⋅⋅ Q ⋅⋅⋅⋅ (Tu – Ti) nella quale Pd= potenza dissipata in kWc = calore specifico dell’acqua = 4,1868 kJ/K⋅⋅⋅⋅kgQ = portata in kg/s = (1000⋅⋅⋅⋅m3)/(h⋅⋅⋅⋅3600)= (m3/h)/3,6Tu= Temperatura di uscita in gradi centigradiTi = Temperatura di entrata in gradi centigradi;

� Temperatura acqua AT entrata motore:Ti = Tu – (PC + P’RA)/(c ⋅⋅⋅⋅ Q’/3,6) con PC = potenza dissipata camicie in kW

P’RA = potenza dissipata I°stadio refr. aria in kWc = calore spec. dell’acqua = 4,1868 kJ/K⋅⋅⋅⋅kgQ’ = portata in m3/hTu = temperatura acqua uscita motore = 91°C;

� Temperatura acqua BT uscita motore:Tu = Ti + (P’’RA)/(c ⋅⋅⋅⋅ Q’/3,6) con P’’RA = potenza diss. II°stadio refr. aria in kW

Ti = temper. acqua ingresso motore = 38°C

Data: 26/02/2007


14


� Formule per il calcolo del bilancio termico:� Dissipazione refrigerante centralizzato:

P = n⋅⋅⋅⋅(PC+PO+P’RA+P’’RA)+PA con P = potenza dissipata totale in kWn = numero motoriPC = potenza dissipata camicie in kWPO = potenza dissipata refrig. olio in kWP’RA = potenza diss. I°stadio refr. aria in kWP’’RA =potenza diss. II°stadio refr. aria in kWPA = potenza dissipata ausiliari prop. in kW

� Equazione di equilibrio di nodi di miscelazione:

Qu ⋅⋅⋅⋅ Tu = Q1e ⋅⋅⋅⋅ T1e + Q2e ⋅⋅⋅⋅ T2e

� Equazione di equilibrio di nodi di deviazione:

Qe ⋅⋅⋅⋅ Te = Q1u ⋅⋅⋅⋅ T1u + Q2u ⋅⋅⋅⋅ T2u

Qu; Tu

Q1e; T1e Q2e; T2e

Q1u; T1u Q2u; T2u

Qe; Te

Data: 26/02/2007


15


� Bilancio termico circuito acqua raffreddamento: Esercitazione

CARATTERISTICHE MOTORE POTENZA DISSIPATA AL 100% MCR

NUMERO CILINDRI 12 CAMICIE CILINDRO 1.605 kW

POTENZA PER CILINDRO 1.050 kW REFRIGERANTE ARIA AT 2.983 kW

POTENZA TOTALE (MCR) 12.600 kW REFRIGERANTE ARIA BT 1.238 kW

VELOCITA' NOMINALE 500 RPM REFRIGERANTE OLIO 1.414 kW

NUMERO DI MOTORI 2 TOTALE POTENZA DISSIPATA 7.240 kW

270,0 m3/h 270,0 m3/h 980,0 m3/h

91,0 °C 51,0 °C

60,0 °C 38,0 °C 32,0 °C

1.605 kW 1.238 kW

2.983 kW 1.414 kW ---- °C

Motori propulsivi

12V46C

Fincantieri - Direzione Navi Mercantili

Costruzione: ----

SISTEMA ACQUA RAFFREDDAMENTO

Motori: EsercitazioneProgetto:

TEMPERAT. REG. VALVOLA

marzo-07MC-GAM

PORTATA POMPA ACQUA

CIRCUITO ACQUA MARE

PORTATA POMPA ACQUA PORTATA POMPA ACQUA

CIRCUITO ACQUA BT

TEMPERAT. CIRCUITO CENTR. TEMPERAT. INGRESSO MAX

TEMPERAT. REG. VALVOLA 1A TEMPERAT. REG. VALVOLA 1B

TEMPERAT. REG. VALVOLA 2A

COMBINATO

SISTEMA ACQUA BRUTA

ACQUA MARE

DATI SISTEMA ACQUA RAFFREDDAMENTO

CIRCUITO ACQUA AT

DISSIP. CAMICIE CILINDRO

DISSIP. REFRIGERANTE ARIA DISSIP. REFRIGERANTE OLIO

DISSIP. REFRIGERANTE ARIA

Data: 26/02/2007


16


� Bilancio termico circuito acqua raffreddamento: Esercitazione (continua)

m3/h

COMPRESSORE ARIA VENTILAZIONE EMERGENZA 35 kW 10 m3/h

kW

Ausiliari

COMPRESSORI ARIA AVVIAMENTO

kWkWkW UNITA' CONTROLLO PASSO ELICA

GENERATORE ASSE

CUSCINETTI LINEA D'ALBERI

TOTALE

COMPRESSORE ARIA CONTROLLO/SERVIZIO

Costruzione:

30 STABILIZZATORI

245

Motori: 12V46C Progetto: Esercitazione

225

m3/h RIDUTTORE DI VELOCITA' 70,2

PORTATA ACQUADISSIPAZIONEREFRIGERANTI - SISTEMA ACQUA BT


12

ELICHE MANOVRA COMPRESSORE MAGAZZINO FRIGORIFERO

kW

13,3 kW35 kW

kW18,2

kW63

478,5 kW

12 m3/h

2,5 m3/h

2,8 m3/h

1,5 m3/h

5,5 m3/h

17 m3/h

6,5

130,1 m3/h

---- MC-GAM marzo-07

2,1 m3/h

Data: 26/02/2007


17


Data: 26/02/2007


18


Riduttore 70,2 m3/h

245 kW 41,0 °C

Generatore asse 12,0 m3/h

2 kW 38,1 °C

130,1 m3/h

2,5 m3/h 41,2 °C Ai motori

25 kW 46,6 °C

130,1 m3/h

38,0 °CCuscinetti 1,5 m

3/h

12 kW 44,9 °C

Dai motori Stabilizzatori 6,5 m3/h

30 kW 42,0 °C

Compressori avv. 2,8 m3/h

18,2 kW 43,6 °C

Compr. aria vent. 10,0 m3/h

35 kW 41,0 °C

Compr. aria contr. 2,1 m3/h

13,3 kW 43,4 °C

Compr. magaz. frig. 5,5 m3/h

35 kW 43,5 °C

Eliche manovra 17,0 m3/h

63 kW 41,2 °C

Circuito BT Totale ausiliari

479 kW

BILANCIO TERMICO AL: 100% MCR

Legenda:

DN65

DN125

DN50

Motori: 12V46C Progetto: Esercitazione Costruzione: ---- MC-GAM marzo-07


Unità passo elica

DN150

DN150

DN32

DN40

DN40

DN32

DN50

DN32

DN32

B

B

Data: 26/02/2007


19


� 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.

01015-circuito acqua raffreddamento - unina.stidue.netunina.stidue.net/universita' di...

Documents