01015-Circuito acqua raffreddamento

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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.
Data: 26/02/2007
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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;
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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;
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Motori diesel 4T - Circuito acqua raffreddamento - Motori Wärtsilä 12V46C
Circuiti acqua AT e BT interni al motore:
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(451)
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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;
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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;
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Circuito acqua AT e BT esterno al motore del tipo a miscelazione con pompe trascinate:
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Circuito ad acqua di mare:
Data: 26/02/2007
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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.
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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;
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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;
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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;
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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.
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Formule per il calcolo del bilancio termico:
Formula scambio termico:
Pd = c ⋅ Q ⋅ (Tu – Ti) nella quale Pd= potenza dissipata in kW
c = calore specifico dell’acqua = 4,1868 kJ/K⋅⋅kg
Q = portata in kg/s = (1000⋅⋅m3)/(h⋅⋅3600)= (m3/h)/3,6
Tu= Temperatura di uscita in gradi centigradi
Ti = 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 kW
c = calore spec. dell’acqua = 4,1868 kJ/K⋅⋅kg
Q’ = portata in m3/h
Tu = 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
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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 kW
n
= numero motori
PC = potenza dissipata camicie in kW
PO = 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
PA = potenza dissipata ausiliari prop. in kW
Equazione di equilibrio di nodi di miscelazione:
Q1e; T1e
Q2e; T2e
Qu ⋅ Tu = Q1e ⋅ T1e + Q2e ⋅ T2e
Qu; Tu
Equazione di equilibrio di nodi di deviazione:
Q1u; T1u
Q2u; T2u
Qe ⋅ Te = Q1u ⋅ T1u + Q2u ⋅ T2u
Data: 26/02/2007
Qe; Te
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Bilancio termico circuito acqua raffreddamento: Esercitazione
Fincantieri - Direzione Navi Mercantili
Motori propulsivi
Motori:
12V46C
Progetto:
Esercitazione
Costruzione:
SISTEMA ACQUA RAFFREDDAMENTO
CARATTERISTICHE MOTORE
NUMERO CILINDRI
COMBINATO
12
----
MC-GAM
marzo-07
POTENZA DISSIPATA AL
100% MCR
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
REFRIGERANTE OLIO
1.414 kW
TOTALE POTENZA DISSIPATA
7.240 kW
VELOCITA' NOMINALE
500 RPM
NUMERO DI MOTORI
2
SISTEMA ACQUA BRUTA
ACQUA MARE
DATI SISTEMA ACQUA RAFFREDDAMENTO
CIRCUITO ACQUA AT
PORTATA POMPA ACQUA
TEMPERAT. REG. VALVOLA 1A
TEMPERAT. REG. VALVOLA 2A
DISSIP. CAMICIE CILINDRO
DISSIP. REFRIGERANTE ARIA
Data: 26/02/2007
270,0 m3/h
91,0 °C
CIRCUITO ACQUA BT
PORTATA POMPA ACQUA
TEMPERAT. REG. VALVOLA 1B
270,0 m3/h
51,0 °C
60,0 °C
TEMPERAT. CIRCUITO CENTR.
38,0 °C
1.605 kW
DISSIP. REFRIGERANTE ARIA
DISSIP. REFRIGERANTE OLIO
1.238 kW
2.983 kW
1.414 kW
CIRCUITO ACQUA MARE
PORTATA POMPA ACQUA
980,0 m3/h
TEMPERAT. INGRESSO MAX
32,0 °C
TEMPERAT. REG. VALVOLA
----
°C
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Bilancio termico circuito acqua raffreddamento: Esercitazione (continua)
Ausiliari
Motori:
12V46C
Progetto:
Esercitazione
Costruzione:
REFRIGERANTI - SISTEMA ACQUA BT
DISSIPAZIONE
RIDUTTORE DI VELOCITA'
GENERATORE ASSE
UNITA' CONTROLLO PASSO ELICA
CUSCINETTI LINEA D'ALBERI
STABILIZZATORI
COMPRESSORI ARIA AVVIAMENTO
COMPRESSORE ARIA VENTILAZIONE EMERGENZA
COMPRESSORE ARIA CONTROLLO/SERVIZIO
COMPRESSORE MAGAZZINO FRIGORIFERO
ELICHE MANOVRA
245
2
25
12
30
18,2
35
13,3
35
63
TOTALE
Data: 26/02/2007
----
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
kW
478,5 kW
MC-GAM marzo-07
PORTATA ACQUA
70,2
12
2,5
1,5
6,5
2,8
10
2,1
5,5
17
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3/h
130,1 m3/h
16
Data: 26/02/2007
17
Motori:
12V46C
Progetto:
Esercitazione
Costruzione:
BILANCIO TERMICO AL:
DN125
70,2 m3/h
41,0 °C
Generatore asse
2 kW
DN50
12,0 m3/h
38,1 °C
25 kW
B
Dai motori
Legenda:
Data: 26/02/2007
Circuito BT
100%
Riduttore
245 kW
Unità passo elica
DN150
130,1 m3/h
38,0 °C
----
DN32
2,5 m3/h
46,6 °C
Cuscinetti
12 kW
DN32
1,5 m3/h
44,9 °C
Stabilizzatori
30 kW
DN40
6,5 m3/h
42,0 °C
Compressori avv.
18,2 kW
DN32
2,8 m3/h
43,6 °C
Compr. aria vent.
35 kW
DN50
10,0 m3/h
41,0 °C
Compr. aria contr.
13,3 kW
DN32
2,1 m3/h
43,4 °C
Compr. magaz. frig.
35 kW
DN40
5,5 m3/h
43,5 °C
Eliche manovra
63 kW
DN65
17,0 m3/h
41,2 °C
MC-GAM
marzo-07
MCR
DN150
130,1 m3/h
41,2 °C
B
Ai motori
Totale ausiliari
479 kW
18
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.
Data: 26/02/2007
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01015-Circuito acqua raffreddamento

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