Soluzione della Seconda Prova a cura del Prof. L. Saba dell`I.T.T.L.

Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca
ESAME DI STATO DI ISTITUTO TECNICO NAUTICO 2014
CORSO SPERIMENTALE – Progetto “ NAUTILUS”
Indirizzo : APPARATI E IMPIANTI MARITTIMI
Tema di : MACCHINE E DISEGNO DI MACCHINE
L’impianto di propulsione di una nave è costituito da due motori Diesel a 2 T e otto cilindri in linea,del tipo
a corsa extra lunga, dotati del sistema TCS ( Turbo Compound System.)
I motori Diesel presentano le seguenti caratteristiche:

rapporto corsa/diametro
C/D = 3,80

potenza effettiva unitaria
Neff = 1 120 KW/cil

velocità angolare
ω

pressione media effettiva
pme = 1362 kPa

rendimento termico effettivo
ηeff = 0,520
= 7,98 rad/s
Il candidato,dopo aver scelto liberamente e con motivato criterio ogni altro dato ritenuto necessario e/o
opportuno esegua il bilancio termico dei motori e calcoli:



corsa,alesaggio e cilindrata geometrica;
velocità media dello stantuffo
il consumo orario e consumo specifico del combustibile
Il candidato, inoltre, esegua uno schema grafico del circuito di raffreddamento dei motori.
Svolgimento
Il motore in esame adopera il sistema “ T C S “ (Turbo Compound System). Con il T C S una aliquota dei
gas di scarico by-passa , in determinate condizioni del carico del motore ( 50 ÷ 80 %) del valore del progetto,
la turbosoffiante di sovralimentazione ed espande in una piccola turbina a gas, collegata mediante un
riduttore epicicloidale e giunto idraulico all’albero motore al quale trasferisce del lavoro aumentando sia la
potenza, il rendimento totale del motore e riduce il consumo specifico del 3% . Si riporta , a tale proposito,
uno schema di massima dell’apparato motore:
6
8
1) compressore turbo soffiante
2) turbina a gas di scarico per
azionamento compressore
7
3) turbina a gas collegata all’albero motore
4) refrigerante aria lavaggio
5
5) riduttore
4
6) collettore di carica
3
7) collettore gas di scarico
8) flangia
1
2
allo scarico
Dimensionamento dei motori
Per prima cosa si trasforma il regime di rotazione espresso in velocità angolare ω in giri/min
n = 60 * 7,98 / 2π = 76 giri/min poi si calcola la cilindrata geometrica unitaria Vcg tramite la:
Nef * t
Vcg = -------------3,33 * pme *n
m3 /cil
1120 *2
Vcg = --------------------- = 0,65
3,33* 13,62 * 76
Neff ( KW ; pme ( bar ); n ( giri / min ) t = 2
m3 /cil
Assegnato il rapporto corsa/alesaggio che vale 3,80 si possono determinare le grandezze corsa e diametro
Diametro
Corsa
3
D=
3
4 Vcg
----------

4 * 0,65
= -------------- = 0,60 m
 * 3,80
C=
*
D
;
C = 3,8 * 0,60 = 2,3 m
Velocità media
2n C
n C
Wm = ----------- = -------- ( m /s )
60
30
2,3 * 76
= -------------30
= 5,83 m/s
valore a accettabile perché rientra nei parametri che
caratterizzano i motori a 2T
Consumo orario .
Si calcola innanzitutto la potenza effettiva di un singolo motore
Neff = Neff 1* 8 = 1120* 8 = 8960 KW
Noto il rendimento termico effettivo si calcola la potenza termica disponibile del combustibile :
Neff
Neff
ηeff = ------Ndisp = --------- = 8960 / 0,52 = 17231 KW
Ndisp
ηeff
La potenza termica disponibile può essere espressa anche come il prodotto della portata massica di
combustibile mc ( Kg/s) per il potere calorifico H1 ( Kg/KJ) quindi
.
Ndisp = mc * Hi
Bruciando un combustibile con potere calorifico I S O pari a 42700 KJ/Kg si ottiene un consumo orario
pari a :
.
mc = Ndis / Hi = 17231 KW / 42700 * KJ/Kg = 0 ,403 Kg/s =1450,8 Kg/h
Consumo specifico
Il consumo specifico, che rappresenta la quantità in massa di fluido richiesto per ottenere l’unità di lavoro, è
espresso da:
.
mc
1450,8 Kg/h
Cs = ---------- = -------------------- = 0,161 Kg/ KWh
Neff
8960 KW
valore a norma perché i motori a due tempi con TCS il cs è compreso tra 0,160 ÷ 170 Kg/Kwh
Il bilancio termico
Il bilancio termico serve per eseguire l’elenco particolareggiato delle varie perdite percentuali di calore che
subisce il motore durante il funzionamento, mentre la rimanente parte di energia termica si trasforma in
lavoro utile. Tali perdite variano in funzione del tipo del motore, e in funzione dell’andatura. Non si possono
dare valori precisi al riguardo se non come valori medi.
Partendo dal rendimento termico effettivo fornito dalla traccia pari al 52% si dovrà considerare una perdita
complessiva pari al 48%, distribuita fra calore sensibile nei gas di scarico , acqua di refrigerazione,
refrigeranti aria, olio di lubrificazione e irraggiamento. Le perdite si possono ipotizzare ripartite nel modo
seguente:
.
.
mgas
maria
qgas = 26 %
C
T
.
maria
.
mH2O
refrigerante
aria
qr aria = 9%
.
mgas
qr cilin = 7 %
.
maria
.
mH2O
qr olio = 4 %
.
mOLIO
qirr = 2%
qut = 52%
qdisp = 100%
Si possono a questo punto ricavare le varie potenze in gioco:





Potenza dissipata dai gas di scarico
Potenza dissipata acqua di refrigerazione
Potenza dissipata refrigerazione olio
Potenza dissipata refrigerazione aria
Potenza dissipata per irraggiamento
Ngas = 0,26 * 17231
NH2O = 0,07 * 17231
Nolio = 0,04* 17231
Naria
= 0,09 * 17231
Nirr
= 0,02 * 17231
KW = 4480 KW
KW = 1206,17 KW
KW = 689,24 KW
KW = 1550,79 KW
KW = 344,62 KW
La potenza totale dissipata corrisponde a 8270,82 KW cioè pari al 48%
Il bilancio termico è stato redatto, naturalmente, supponendo che il motore funzioni con il sistema TCS. La
potenza meccanica recuperata dai gas di scarico può raggiungere anche il 20% in più rispetto al motore privo
del TCS.
Schema grafico del circuito di raffreddamento del motore
I circuiti di raffreddamento utilizzano acqua dolce come fluido refrigerante, ma possono assumere configurazioni molto
diverse , a seconda del tipo di nave , di apparato motore , della sua potenza, della temperatura di progetto, delle
possibilità di recupero del calore per scopi utili e dei collegamenti con i circuiti di raffreddamento dell’aria di carica e
dell’olio lubrificante . Si prenda in esame, come esempio, il seguente schema:
T
C
HT
I stadio
LT
refrig.
cilindri
II stadio
refrig
olio
2T
H2O mare
Esso è costituito da:
 Un primo circuito ( chiuso) in cui circola l’acqua dolce a temperatura media più elevata chiamato
circuito H T ( High temperature). Questo è sempre preposto al raffreddamento dei cilindri , spesso
provvede anche al raffreddamento del primo stadio dell’aria di carica

un secondo circuito ( chiuso) sempre ad acqua dolce ma a temperatura media minore e denominato
LT ( Low Temperature), il quale sottrae calore al circuito HT, al secondo stadio di raffreddamento
dell’aria di carica e all’olio lubrificante ;

un terzo circuito, aperto, ad acqua di mare , il quale sottrae calore ai primi due.
La figura seguente mostra un’altro schema semplificato del circuito acqua dolce di raffreddamento dei
cilindri di un generico motore diesel a 2 T della Sulzer della serie RTA.
Si osservano le due pompe di circolazione una principale e l’altra di riserva che comprimono l’acqua ad una
pressione di circa 4 bar, le tubazioni di ingresso e di uscita dell’acqua dal motore, lo scambiatore di calore ad
acqua di mare, la cassa di compenso sopraelevata, situata da 10 m a 15 m al di sopra della linea d’assi ed
occorrente per il riempimento, i trattamenti chimici dell’acqua. La cassa in comunicazione con l’aspirazione
delle pompe assicura che i condotti del circuito siano sempre pieni e provvede anche a reintegrare le perdite.
cassa di compenso
tusc ( acqua dolce)
bay-pass
motore
ting (acqua dolce)
refrigerante acqua di mare
tusc (mare)
tusc (mare)
ting (mare)
ting (mare)
elettropompe pompe circolazione acqua dolce
L’ acqua viene introdotta nella parte più bassa dell’intercapedine fra la canna ed involucro del cilindro,
nella quale si muove dal basso in alto ed esce, dalla parte superiore ,in un punto diametralmente opposto a
quello di entrata. Infine è provvisto un sistema di controllo automatico della temperatura che consente ad
una determinata aliquota di acqua di bypassare lo scambiatore quando la temperatura è troppo bassa
Nota di specificazione: l’acqua dolce deve essere rigorosamente demineralizzata ed è preferibile che sia
stata prodotta per mezzo di distillatori a cambiamento di fase,perché quella prodotta con impianti a osmosi
inversa possiede spesso un elevato contenuto di cloro, pericoloso agli effetti della corrosione.
Prof . Leonardo Saba
Dipartimento di Macchine
“ Buccari” Cagliari
Testi consultati:
- R. Della Volpe - Impianti motori per la propulsione navale, Liguori Editore
- L. Ferraro - Macchine marine, Hoepli