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EEN 554 Projeto de Sistemas de Máquinas

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CENTRO DE TECNOLOGIA ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA

EEN554 – PROJETO DE SISTEMAS DE MÁQUINAS

MÓDULO 2: BALANÇO TÉRMICO

Prof Luiz Vaz


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ÍNDICE I- Introdução..........................................................................................................................3 II- Redes de Vapor...............................................................................................................3

II.1. Dimensionamento da Rede ..................................................................................4 III- Utilizacao do Vapor a bordo......................................................................................6 IV- Dimensionamento dos tanques ..............................................................................10 V- Consumo de vapor para aquecimento de tanques ............................................15 VI- Especificação das Purificadoras ..............................................................................18 VII- Seleção e Consumo de vapor dos Aquecedores..............................................22 VIII- Consumo de vapor de outros utilizadores .......................................................27 IX- Balanço Térmico ..........................................................................................................30 X- Seleção do Gerador de Calor ....................................................................................30 XI- Referências ....................................................................................................................33 XII- Apêndice A: Coeficiente Global de Transmissão de Calor............................34


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I- Introdução

Entende-se por balanço térmico a análise da demanda e da oferta de calor (obtido normalmente através de vapor ou por óleo térmico) necessário para alguns sistemas do navio.

A demanda de calor depende basicamente de:

Tipo do navio; Condição operacional; Condições ambientais (verão ou inverno);

É de se esperar um elevado consumo de vapor em navios do tipo

petroleiros (VLCC), por exemplo, uma vez que seus tanques de carga são mantidos aquecidos.

O cálculo da demanda de vapor do navio visa principalmente o

dimensionamento da(s) caldeira(s) auxiliar(es) que, em conjunto com a caldeira de recuperação, deve suprir o vapor necessário aos utilizadores.

De uma forma geral, os 3 mecanismos de transmissão de calor estão

presentes neste estudo, uma vez que se pode admitir, por exemplo, que a perda de calor através das paredes de um tanque ocorre por condução e radiação, enquanto o fluxo térmico das serpentinas de vapor para o fluido do tanque envolve condução, convecção e radiação. II- Redes de Vapor

Pode-se dizer que os principais elementos de uma rede de vapor são: - Serpentinas (coil) - Purgadores (steam traps) - Ralos (strainers) A figura 1 mostra uma caldeira e suas tubulações de vapor.


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Figura 1: Detalhe de Rede de Vapor

II.1. Dimensionamento da Rede

O dimensionamento é feito a partir do fluxo de vapor existente.

Diâmetros menores podem provocar a falta de vapor na extremidade da rede (devido ao aumento da perda de carga). Por outro lado, diâmetros maiores implicam em aumento de custo inicial e peso, além de maiores perdas por radiação.

A rede deve prever ainda drenagem suficiente para evitar a formação

de bolsões de água que reduzem a área seccional dos tubos e aumentam a velocidade do vapor na rede. O líquido formado é “comprimido” em válvulas (martelo hidráulico), causando avarias que podem ser ouvidas em espaços de acomodações, por exemplo. Para evitar isso, existem os purgadores (Figura 2) que constituem as conexões entre a rede de vapor e o sistema de dreno, cuja função é permitir a passagem da água acumulada do lado do vapor para o sistema de dreno, evitando, ao mesmo tempo, a perda do vapor útil.


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Figura 2: Purgador

No caso do vapor saturado, existem 2 métodos de dimensionamento

de redes: 1. Pela velocidade do vapor – Os cálculos são baseados no volume

específico do vapor em relação à área seccional do tubo. Experiências práticas mostram que valores de velocidade razoáveis para o vapor saturado seco são de aproximadamente 30 m/s.

2. Pela queda de pressão do vapor – Considera-se a pressão do vapor na extremidade final da rede que é importante para utilizadores como cozinha e lavanderia, por exemplo.

No caso do vapor superaquecido, podem-se adotar velocidades maiores

(que implicam em maiores perdas de carga), pois é mais difícil ocorrer condensação. Além disso, o vapor superaquecido normalmente é confinado a espaços de máquinas e circula por comprimentos curtos. Portanto, seu dimensionamento pode ser feito pela velocidade.

Deve ser observado que para requisito de altas pressões de saída, a

temperatura e pressão na serpentina deve ser mantida tão alta quanto possível. Isto significa que o comprimento de uma serpentina deve ser mantido baixo a fim de evitar grandes perdas de carga ao longo de seu comprimento. Valores usuais que podem ser adotados são:

- L máximo = 60 m (diâmetro de 1 ½ ) - L máximo = 76,2 m (diâmetro de 2 )


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A figura 3 mostra um arranjo típico de tanques. Observe a flexibilidade do arranjo onde é possível isolar um certo trecho, mantendo a operação, na eventualidade de algum vazamento. Nota-se ainda que, antes da saída para os purgadores, existem elevações na rede (lift fittings) a fim de aumentar a perda de carga, o que garante uma descarga contínua no purgador, significando a melhor drenagem possível da serpentina.

Figura 3: Arranjo de Serpentina no Tanque

III- Utilizacao do Vapor a bordo

O vapor gerado pela caldeira pode ser utilizado a bordo para os seguintes serviços: - Aquecimento de tanques de armazenamento de O.P. e O.L. - Aquecimento de tanques de serviço de O.P. e O.D. - Aquecimento de tanques de borra (Óleo Lubrificante e resíduos de Óleo

Pesado) - Aquecedores para purificadoras de O.P.(normalmente 2), O.D. e O.L. - Aquecedores de O.P. (para MCP, MCA’s e Caldeiras) - Aquecedores de A.D. sanitária e água potável


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- Aparatos de Cozinha e Lavanderia - Aquecimento de Alojamentos e Ar condicionado - Aquecedor para Separador de Água e Óleo - Caixas de Mar - Aquecimento de tanques de carga (petroleiros) - Acionamento de máquinas (guinchos, bombas de carga acionadas por

turbina, etc.)

Para todos esses serviços calcula-se a quantidade de vapor necessária nas seguintes situações principais:

- Operação normal no mar (verão e inverno) - Navio no porto (inverno) - Carga / Descarga (inverno) - Partida (inverno)

Observe na figura 4 o exemplo de uma rede de transferência de O.P. do tanque de armazenamento ao motor principal.

Figura 4 : Sistema de Óleo Pesado


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O óleo pesado dos tanques de armazenamento (tanques profundos) deve ser aquecido de aproximadamente 25 oC a 40-60 oC (em cerca de 24h) a fim de ser transferido ao tanque de sedimentação. Do tanque de sedimentação o O.P. vai para as purificadoras antes da qual deve ser aquecido (aquecedor de O.P. para purificadora) até uma temperatura que depende da viscosidade do óleo e do próprio processo a que será submetido: purificação ou clarificação. Tais processos são mais eficientes com o óleo em baixa viscosidade. A figura 5 apresenta temperaturas de separação em função da viscosidade do O.P.

Temperatura de Separação

88

90

92

94

96

98

100

1000 2000 3000 4000

Viscosidade [SR1 100 oF]

Tem

pera

tura

[o C

]

Figura 5 : Viscosidade x Temperatura de Separação

Uma vez purificado o O.P. vai da purificadora ao tanque de serviço onde

deve ser mantido a uma temperatura aproximada de 90 oC. Finalmente após saída do tanque de serviço é outra vez aquecido (Aquecedor de O.P. para MCP) à temperatura de injeção no motor, conforme figura 6.


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Temperatura Injeção

0

20

40

60

80

100

120

140

400 1000 2000 3000

Viscosidade [SR1 a 100 oF]

Tem

pera

tura

[o C

]

Figura 6 : Temperatura de Injeção no Motor

Para um perfeito dimensionamento das purificadoras e dos aquecedores os seguintes dados devem ser conhecidos: 1. Potência (BHP) do MCP e dos MCA’s 2. Viscosidade (em SR1 a 100 oF) do O.P. e o grau SAE do O.L. do motor 3. As temperaturas de pré-aquecimento do O.P. e do O.L. 4. Tempo de funcionamento das purificadoras 5. Tipo de funcionamento das purificadoras (série ou paralelo)

A tabela 1 apresenta as temperaturas de centrifugação recomendadas para O.P., O.D., Gás e O.L..

Viscosidade do Óleo Temperatura de Centrifugação oC

SAE 30 70 SAE 40 75 SAE 50 80 Gas Oil Temperatura ambiente

Diesel Oil 40 O.P. 1000 a 2000 SR1 85

O.P. até 3000 SR1 90 Tabela 1: Temperatura de Separação


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IV- Dimensionamento dos tanques

O cálculo do volume dos tanques deve preceder o cálculo do calor necessário para seu aquecimento uma vez que uma parcela deste calor é perdida pelas superfícies dos tanques que , no momento do cálculo, já devem ser conhecidas. Desta forma, uma seqüência adequada para considerar a participação do calor despendido para manter o óleo do interior do tanque em temperatura ideal para seu bombeamento seria:

1. Cálculo do volume dos tanques de armazenamento, sedimentação e

serviço de O.P. e O.D.; 2. Definição do número de tanques e arranjo dos mesmos no interior da

P.M.; 3. Cálculo das áreas das anteparas que constituem os tanques; 4. Determinação das adjacências ao tanque e respectivos coeficientes

globais de transmissão do calor (U); 5. Temperaturas iniciais (verão e inverno) características dos espaços

adjacentes (Ti) e temperaturas finais características do tipo do óleo (O.P., O.D., produtos claros e escuros) a ser aquecido;

- Tanque de armazenamento (profundo) de O.P.

Esses tanques, considerados estruturais por aproveitarem o costado do navio como uma de suas superfícies, devido a seu grande volume, devem ser dimensionados em número (normalmente de 2 a 4) e configuração tais que minimizem o problema de superfície livre que é típico para tanques deste porte. O volume total necessário ao armazenamento de O.P. pode ser estimado por:

( )manumcpcdupcpMCAsMCAMCAS

OPe

st TQCNTQCNABHPCNABHPC

ff

V ...........10.. 6 +++=

ρ (1)

sendo: Vt = Volume total [m3] (esse volume deve corresponder a 90% do combustível utilizado, tendo em vista atender a condição de chegada com 10 % de consumíveis) fs = 1,03 (fator de consumo específico) fe = 0,96 (fator de expansão) Cs = consumo específico do MCP [g/BHP.h] BHP = potência de serviço contínuo (CSR) A = autonomia [horas]


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NMCA = Número de MCAs BHPMCA = potência do MCA Np = número de portos Cc = consumo de O.P. da caldeira auxiliar (pode-se considerar = 50 g / Kg vapor / h) Qup = capacidade da caldeira no porto (kgvapor / h) – Navios Semelhantes Tcd = tempo de carga e descarga [horas] – (depende de perfil operacional) Qum = capac da caldeira em manobra (kgvapor / h) - Navios Semelhantes Tman = tempo de manobra [horas] – (depende de perfil operacional) - Tanque de armazenamento de O.D.

Faz alguns anos que os motores de navios mercantes consomem um único combustível: óleo pesado. No passado, o uso de óleo diesel fazia-se necessário basicamente para partida e parada do motor. Hoje o óleo diesel pode ser visto como combustível “alternativo”, restringindo-se seu uso a eventuais problemas no sistema de O.P. como uma possível perda simultânea das duas purificadoras de O.P.

Para efeito de dimensionamento dos tanques, considera-se que os MCAs utilizam O.D. nas situações de navio no porto (carga e descarga), bem como com o navio em manobra. O volume desses tanques é dado por:

( )pMCAcdMCAsMCAODe

st NNTBHPC

ff

V ....10.. 6ρ

= (2)

- Tanque de sedimentação de O.P.

Estes tanques (normalmente 2) são posicionados adjacente aos tanques de armazenamento e tanque de serviço de O.P.. Esta interface entre os tanques é interessante a fim de reduzir o fluxo térmico (perda de calor) através de suas superfícies.

( )T.BHP.C..f

fV s

OPe

st 610ρ= (3)

sendo: T = tempo de sedimentação do O.P. = 16h (O.P. até 3500 SR1 à 100 oF) = 24h (O.P. acima de 3500 SR1 à 100 oF)


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- Tanque de sedimentação de O.D.

Este tanque é posicionado adjacente ao tanque de serviço de O.D. Em geral, o volume deste tanque é fornecido no manual do motor. - Tanque de serviço de O.P.

Este tanque (normalmente 1) tem a função de armazenar O.P. purificado para o consumo do motor principal.

( )T.BHP.C..f

fV s

OPe

st 610ρ= (4)

sendo: T = tempo de serviço = 24h - Tanque de serviço de O.D.

Neste tanque está contido O.D. purificado para o consumo do motor principal e motores auxiliares, caso necessário. Em geral, o volume deste tanque é fornecido no manual do motor. A figura 7 mostra um tanque deste tipo.

Figura 7: Tanque de Serviço de Óleo Diesel


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- Tanque de borra de O.P. (MARPOL)

1000..24...01,0

OP

s DCBHPV

ρ= (5)

D = 30 (com incinerador) V mínimo 2 m3 - Tanques de O.L.

A princípio devem ser dimensionados conforme indicações contidas no manual do fabricante do motor. Na ausência dessas informações, podem-se utilizar as seguintes recomendações para os principais tanques de O.L.:

Tanque Quantidade Volume (m3) Serviço O.L. Sistema 1 Q / 12 Serviço O.L. dos cilindros 1 (BHP.CsoLMCP.24) / (900.1000) Armazenamento O.L. dos cilindros 1 (BHP. CsoLMCP.24.D.1,5) / (900.1000) Armazenamento O.L. dos MCA’s 1 (BHPMCA. CsoLMCA.24.D.α)/(900.1000) Borra de O.L. 1 1xNP

Tabela 2: Tanques de Óleo Lubrificante Sendo: Q = vazão da bomba de O.L. [m3/h] CsoLMCP = Consumo de óleo lubrificante pelo MCP CsoLMCA = Consumo de óleo lubrificante pelo MCA D = tempo de viagem na maior distância entre portos [dias] α = fator de uso = 2,0 (somente MCA’s) = 1,5 (MCA’s + Turbo-Gerador) = 1,0 (T/G + Gerador de Eixo) NP = número de purificadoras

A figura 8 apresenta o sistema principal de óleo lubrificante. O item 2 corresponde ao tanque de serviço de O.L do sistema (Poceto). Observam-se os textos “from separator” / “to separator” indicando a necessidade de purificação (em média 2 vezes a cada 24h). Esse sistema é responsável pela lubrificação dos mancais do eixo de manivelas, cruzeta e mecanismo de atuação da válvula de expansão do motor.


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Figura 8: Sistema de O.L. (Principal)

A figura 9 mostra o sistema de O.L. dos cilindros. Em geral, esses

óleos são mais viscosos (SAE 50 ou superior) do que o O.L. do sistema principal (SAE 30). O item 2 refere-se ao tanque de armazenamento de O.L. dos cilindros, enquanto o item 6 é o tanque de serviço de O.L. dos cilindros. Fato curioso é a ausência de bomba entre o tanque de serviço e o motor suprimento por gravidade exige, neste caso, altura mínima de 12,5 m entre linha de centro do virabrequim e base do tanque.


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Figura 9: Sistema de O.L. (Cilindros)

V- Consumo de vapor para aquecimento de tanques

Para o cálculo do calor necessário para manter o óleo no interior dos

tanques a uma determinada temperatura supõe-se que o calor absorvido pelas anteparas do tanque seja desprezível e que uma porção destas se aquece como os corpos situados no interior (petróleo ou O.P., por exemplo), admitindo-se uma temperatura uniforme. - Fluxo térmico para elevação da temperatura (qi):

tempoTcmqi

∆=

.. (6)

sendo:


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c = calor específico do fluido [kcal/kg.oC] ∆T = elevação de temperatura desejada [oC] m = ρ.V = massa do fluido [kg] - Fluxo térmico perdido pelas anteparas dos tanques (qe):

TAUqe ∆= .. (7)

sendo: U = k = coeficiente global de transferência de calor [kcal/h.m2.oC] A = área de troca de calor [m2] - Calor total necessário para aquecimento dos tanques (qo):

eio qqq += (8) - Consumo de vapor [kg/h]:

DHq

C o= (9)

sendo: DH = variação de entalpia do vapor [kcal/kg]

Para o cálculo dos fluxos térmicos, torna-se necessário conhecer:

Temperaturas dos ambientes (verão e inverno); Tempo para aquecimento dos tanques (segundo ABNT) Coeficientes globais de transmissão de calor (U).

Ambiente Tverão [oC] Tinverno [oC] P.M. 38 20 Água do mar 20 5 Ar exterior 25 2 Porão 40 15

Tabela 3: Condições ambientais (ISO)


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Tanque T inicial [o C] T final [o C] Tempo [h] (ABNT) Comentário

Armazenamento 30 40 12 30 60 12 p/175 CSt a 375 CSt a 50 o C Sedimentação O.P. 45 70 12 p/465 CSt a 600 CSt a 50 o C 55 95 6 p/175 CSt a 375 CSt a 50 o C Serviço O.P. 65 95 6 p/465 CSt a 600 CSt a 50 o C

Sedimentação O.L. 12 Sedimentação O.D.

12

Borra 12 Carga 40 65 96 Água Quente 5 65 4 T inicial de Inverno O.L. do MCP 3 T conforme manual motor

Tabela 4: Tanques Aquecidos e Tempo de Aquecimento

Fluido Massa Específica [kg/m3] Calor Específico [kcal/kg oC] Água 1000 1,0 Óleo Crú 950 0,48 Óleo Pesado 950 0,45 Óleo Lubrificante 900 0,45 Óleo Diesel 830 0,45

Tabela 5: Massa Específica e Calor Específico dos Fluidos Tanque Superfície adjacente U (ABNT)

[kcal/h/m2.oC] U (Sugerido)

[kcal/h/m2.oC] Ar (convés, P.M., Praça de bombas,etc.) 4-8 5 Água do mar (costado) 12-17 15 Água do mar (fundo) 4-8 5 Ar (costado) 7-10 8

Óleo Pesado

Ar (fundo) 4-5 4 Óleo Diesel Água do mar (parte úmida) 14,5-24 15 O.L. Ar (parte seca) 7-10 8 Óleo (qualquer) Óleo - -

Tabela 6: Coeficiente Global de Transmissão de Calor


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VI- Especificação das Purificadoras

Água e partículas sólidas precisam ser permanentemente removidas do óleo pesado, óleo diesel e lubrificantes. Em geral, destinam-se 2 purificadoras para operação com O.P., uma para O.D e uma para O.L.

A figura 10 mostra uma purificadora, bem como o fluxo de entrada de óleo sujo e saída de óleo limpo e impurezas. A figura 11 mostra a presença do aquecedor para purificadora (Preheater), além da saída de água e borra (sludge).

Figura 10: Purificadora


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Figura 11: Sistema de Purificação

- Purificadoras de O.P. e O.D. A vazão da purificadora (Q) pode ser calculada através da seguinte relação:

TbMCRQ

.24..

δ= (10)

Onde: MCR = Potência Máxima Contínua b = Consumo específico de O.P. (deve-se considerar que os MCAs e Caldeiras consomem O.P. ou O.D.) δ = massa específica [kg/litro] = 0,96 kg/l T = Tempo de operação contínua = 24h


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Em seguida, seleciona-se o modelo com auxílio das figuras 12 e 13. Semelhante à bomba, a purificadora, quando em operação em paralelo deve ter vazão total igual a soma das vazões individuais.

Figura 12: Modelos por Capacidade

Figura 13: Modelos por Capacidade e Temperatura de Separação

- Purificadoras de O.L. A purificadora de O.L. deve ser selecionada levando em consideração os seguintes parâmetros:

1. Tipo do motor; 2. Tipo do combustível; 3. Potência Máxima Contínua (MCR);


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4. Tipo de óleo lubrificante (no caso de motor tipo cruzeta); A figura 14 mostra a seção de um motor diesel 2 Tempos e a cruzeta (crosshead, item 16).

Figura 14: Seção de Motor 2 Tempos

A vazão da purificadora de O.L. pode ser calculada conforme seguinte relação:

PMCRQ .= (11) Onde: K = fator que depende do tipo de motor e tipo de combustível (Tabela 7).


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Tabela 7: Fator k

Uma vez calculada a vazão e considerando o tipo de motor e temperatura de separação torna-se possível selecionar a purificadora de O.L. (Tabela 8).

Tabela 8: Modelos de Purificadora de O.L.

VII- Seleção e Consumo de vapor dos Aquecedores

Quando a montagem do aquecedor é vertical a superfície de aquecimento é calculada a partir da seguinte fórmula:

+−

−=

2400

).(.

12

12

ttt

ttQS

v

ρ (12)


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onde: S = superfície de aquecimento [m2] Q = fluxo do fluido [l/h] ρ = densidade do combustível [t/m3] t2 = temperatura final do combustível (pré-aquecido) [oC] t1 = temperatura inicial do combustível (tanque de sedimentação) [oC] tv = temperatura do vapor (deve ser, no mínimo, 25 oC maior que t2) [oC] Obs: 1. Se a purificadora é montada horizontalmente, a superfície de

aquecimento é a obtida pela equação 12 deve ser acrescida de 15%; 2. A equação 12 é válida quando o combustível é O.P. Para o caso de O.D.

e O.L. o valor obtido pode ser reduzido em cerca de 15%;

Uma vez calculada a superfície de aquecimento pode-se dimensionar o aquecedor através da tabela 9.

Área de troca PressãoTrabalhoTipo de Aquecedor m2 kgf/cm2

DO 16 0,3 13,0 DO 33 0,6 13,0 DO 56 1,0 13,0 DO 84 1,5 13,0 DO 112 2,0 13,0 DO 84/2 2,3 13,0 DO 112/2 3,0 11,0 DO 168 3,25 11,0

DO 168/2 5,0 13,0 DO 168/3 10,0 13,0 DO 168/4 12,5 13,0

Tabela 9: Tipos de aquecedores a vapor

O consumo de vapor do aquecedor [kg/h] obtém-se a partir da seguinte relação:

CttQ

Q).(. 12 −=

ρ (13)

A constante C pode ser determinada pela tabela 10.


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td Pressão Vapor [kgf/cm2] oC

C

1 120 910 2 133 915 3 143 920 4 151 925 5 158 930 6 164 935 7 170 935 8 175 935 9 179 940 10 183 940 11 187 940 12 191 945 13 194 945

Tabela 10: Valores da constante C Pré-aquecedor de O.P. do MCP

Para óleo pesado 3500 SR-1 a 100 oF pode-se considerar temperatura de entrada no aquecedor de 80 oC (tanques de serviço) e que deve ser aquecido a 135 oC para sua injeção no motor (Figura 4).

O fluxo de O.P. que passa dos tanques para o motor pode ser obtido por:

BHPb .16,0= [kg/h] (14)

A quantidade de calor necessária para aquecer tal fluxo é dada por:

).(. ife ttcbq −= [kcal/h] (15) onde: ce = calor específico do O.P. = 0,5 Kcal/kg.oC


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Aquecedor de Água Doce Sanitária e Água Potável

O consumo de água doce aquecida a bordo de um navio depende essencialmente do tipo de navio (mercante ou de passageiros) e do clima da região. Não obstante, os consumos de água quente podem ser estimados conforme tabela 11, onde o primeiro número refere-se a navios mercantes e o segundo aos navios de passageiros.

Serviço Água potável [litros/pessoa.dia]

Água sanitária [litros/pessoa.dia]

Total [litros/pessoa.dia]

Lavatório 9/10 9/10 Banhos e duchas 50/60 50/60

Cozinha 4/4 4/4 “Lavado vajilla” 7/10 7/10

Lavanderia 3/3 3/3 TOTAL 20/24 53/63 73/87

Tabela 11: Uso de Água Potável e Sanitária

Os sistemas de produção de água quente são constituídos fundamentalmente por um tanque de armazenamento, um aquecedor, uma rede que transporte água quente aos pontos de consumo e um elemento regulador que permita a interrupção do aquecimento assim que se alcança a temperatura predeterminada.

O cálculo da instalação de água quente deve considerar os seguintes aspectos:

- Capacidade de armazenamento de água; - Capacidade de produção de calor na caldeira;

Parece claro que aquecer a água no momento do consumo seria

antieconômico visto que aumentaria sobremaneira o fluxo de calor necessário. Assim, é comum prever a quantidade máxima de consumo em um período de tempo e dispor de água acumulada para satisfazer a este consumo. Portanto, a capacidade de armazenamento e o tempo disponível para aquecimento da água são fatores importantes no cálculo.

Dentro de limites aceitáveis, pode-se supor que:

1. A quantidade total de água quente consumida é de: - 3,04 x N [litros/h] – em navios de carga - 3,63 x N [litros/h] – em navios de passageiros - onde N é o número total de pessoas a bordo


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2. A água que entra no aquecedor está a uma temperatura aproximada de 10 oC;

3. O aquecedor deve elevar a temperatura da água até 60 oC a 80 oC; 4. A temperatura final da água quente deve ser de aproximadamente 40 oC;

Tendo em vista os valores acima, pode-se determinar a capacidade dos aquecedores de água (C):

)1060.()1040.(..04,3 2 −=− OHmtN & (16)

tNm OH ..824,12 =& [litros] (17)

A quantidade de calor necessária fica:

tm

tm

q OHOH 22 .50)1060.( &&=

−= (18)

Das equações (17) e (18) observa-se que se o tempo de aquecimento

é reduzido, diminui a capacidade necessária para o aquecedor de A.D., entretanto eleva-se o consumo de vapor necessário para seu aquecimento.

Pode-se supor que valores entre 2h-4h são razoáveis para tempo de

aquecimento, enquanto a capacidade dos aquecedores deve oscilar entre 300 litros – 500 litros para navios de carga. Na prática o aquecimento de água é, em geral, realizado pelo tanque hidrofor de água quente (Figura 15)

Figura 15: Hidrofor de Água Quente


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VIII- Consumo de vapor de outros utilizadores Aquecimento de alojamentos e ar condicionado

O objetivo da ventilação, calefação e climatização nos navios é manter condições de conforto para tripulação, bem como condições de proteção e conservação da carga. As características atmosféricas variam rápida e amplamente no decorrer da viagem e, por isso, deve-se preocupar em manter o interior do navio em condições razoavelmente permanentes em todos os climas.

As condições climáticas que se admitem para os navios que navegam por

todo o mundo incluem temperaturas que variam desde -18 oC a 35 oC. Para navios que navegam no Atlântico Norte devem considerar-se -18 oC e para as demais áreas é suficiente supor uma temperatura exterior de -12 oC.

Para o cálculo do vapor necessário para o aquecimento de alojamentos e ar condicionado podem-se empregar diferentes procedimentos, dos quais destacamos o Método de cálculo por contato das anteparas.

Supõe-se que toda a transmissão do calor se efetua por contato através

das anteparas de cada local. A quantidade de calor [kcal/h] pode ser expressa por:

)tt(Sq ei −α= (19) Onde: S = superfície de contato [m2] ti = temperatura interior [oC] te = temperatura interior [oC] α = coeficiente de transmissão por contato, [kcal/m2.h.oC] O coeficiente de transmissão α se calcula conforme as relações a seguir:

− Anteparas horizontais: 482 ei tt., −=α (20)

− Anteparas verticais: − Se ti - te < 10oC:


28

)tt(, ei −+=α 0803 (21) − Se ti - te > 10 oC:

422 ei tt., −=α (22) As temperaturas interiores (ti) recomendadas para o máximo conforto

da tripulação podem supor-se conforme tabela 12.

Locais Temperatura [oC] Dormitórios 18 Corredores 20

Salas de estar 20 Banheiros 22

Escadas e locais de serviço 15 Enfermarias 23

Hall 18 Oficinas 16 Paióis 14

Ginásios 14 Teatros (navios de passageiros) 27

Restaurantes 22 Garagens (navios de passageiros) 13

Salas 23 Tabela 12: Temperaturas de Conforto

Separador de Água e Óleo

Este equipamento (Figura 16) opera unicamente no porto com o objetivo de impedir que se descarregue no mar água com quantidade de impurezas superior a exigida por regulamentos (15 g/l). Quando o combustível é óleo pesado acima de 2000 SR1 a 38 oC a mistura de água e óleo deve ser aquecida para favorecer o processo de separação.


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Figura 16: Separador de Água e Óleo

Supondo 2 tanques de borra com uma capacidade unitária igual ao

mínimo exigido (0,17 m3) pode-se calcular aproximadamente o calor necessário como segue:

Tcmq ∆= .. (23)

sendo: m = massa da mistura de água e óleo supostamente composta por 25 % de O.P. e 75% de água: Caixas de Mar

As caixas de mar só exigem aquecimento quando o navio viaja por zonas muito frias para evitar o congelamento nas tomadas de água, o que impediria seu ingresso. Uma solução para tal problema seria provocar uma troca de calor entre a tubulação de aspiração e a de descarga, embora, neste caso, as Sociedades Classificadoras exijam mesmo o uso de vapor


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para aquecimento das tomadas de água. Não obstante, por se tratar de uma situação específica, a quantidade de calor necessária para este aquecimento não deve fazer parte do balanço de vapor. IX- Balanço Térmico

Uma vez calculados os consumos de calor de todos os utilizadores, o balanço térmico pode ser materializado mediante preenchimento de uma planilha contendo todos os consumidores nas condições operacionais no navio. A oferta de calor obtida com o uso da caldeira de recuperação deve ser aqui considerada.

Atenção especial deve ser dada à condição de navio no porto, uma vez que nesta situação o motor em geral encontra-se fora de operação e não se pode contar com o calor produzido pela caldeira de recuperação. X- Seleção do Gerador de Calor

Feito o cálculo do consumo de calor, existem duas formas básicas de supri-lo:

1. Uso de caldeira ou gerador de vapor (Figura 17 e 19); 2. Uso de aquecedor de óleo térmico (Figuras 18 e 20);

Sistemas com aquecedor de óleo térmico costumam apresentar maior

eficiência (em torno de 76%), quando comparados a redes de vapor, cuja eficiência varia entre 55% e 65%.

Pode-se dizer que o custo operacional do sistema com óleo térmico é

menor uma vez que a água da caldeira exige tratamento contínuo. Entretanto, deve-se esperar maior custo inicial do óleo térmico quando comparado a redes de vapor.


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Figura 17: Caldeira Auxiliar

Figura 18: Aquecedor de Óleo Térmico


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Figura 19: Tipos de Caldeiras


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Figura 20: Sistema com Óleo Térmico

XI- Referências [1] – Martinez, M. A. – “Balance de Vapor em Buquês com Propulsion a Motor Diesel (1)” – Ingenieria Naval – Abril/1998; [2] – Martinez, M. A. – “Balance de Vapor em Buquês com Propulsion a Motor Diesel (2)” – Ingenieria Naval – Abril/1998; [3] – Spirax-Sarco Marine Bulletin – “Steam at Sea” [4] Wanson Company Ltd – “Thermopac – The Thermal Fluid Heater” [5] – New Sulzer Diesel – “Engine Selection and Project Manual” [6] – Alfa Laval Marine & Power – “FOPX Separation System for Fuel Oil” [7] - Alfa Laval Marine & Power – “ALCAP - LOPX Separation System for Lube Oil” [8] – ISHITEC – “Basic Design Information Booklet (Machinery Part)”


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XII- Apêndice A: Coeficiente Global de Transmissão de Calor

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