equipamentos e sistemas do navio-nov2003

EEESSSCCCOOOLLLAAA NNNÁÁÁUUUTTTIIICCCAAA IIINNNFFFAAANNNTTTEEE DDD... HHHEEENNNRRRIIIQQQUUUEEE Departamento de Máquinas Marítimas

TECNOLOGIA MARÍTIMA

EQUIPAMENTOS E SISTEMAS DO NAVIO

João Emílio C. Silva

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EQUIPAMENTOS E SISTEMAS DO NAVIO 1

ENGENHARIA DE MÁQUINAS MARÍTIMAS TECNOLOGIA MARÍTIMA - M03

1. SISTEMAS DE ARREFECIMENTO ........................................................................................................................................... 2

1.1. CIRCUITO DE ÁGUA DO MAR.................................................................................................................................................. 2

1.2. SISTEMAS ABERTOS .............................................................................................................................................................. 3

1.3. SISTEMAS FECHADOS............................................................................................................................................................ 3

1.4. SISTEMA DE ÁGUA DOCE COM CIRCUITOS DE ALTA E BAIXA TEMPERATURA................................................................. 4

1.4.1. CIRCUITO DE ALTA TEMPERATURA ...................................................................................................................................... 5

1.4.2. CIRCUITO DE BAIXA TEMPERATURA..................................................................................................................................... 5

1.5. ARREFECIMENTO DOS ÊMBOLOS......................................................................................................................................... 5

1.6. BOMBAS DE ÁGUA DOCE DE CIRCULAÇÃO.......................................................................................................................... 5

1.7. ARREFECEDORES .................................................................................................................................................................. 5

1.8. TRATAMENTO DA ÁGUA ......................................................................................................................................................... 6

2. SISTEMA DE ÓLEO DE LUBRIFICAÇÃO.................................................................................................................................. 7

2.1. CIRCUITO DE LUBRIFICAÇÃO PRINCIPAL ............................................................................................................................. 7

3. SOBREALIMENTAÇÃO E EVACUAÇÃO................................................................................................................................... 8

4. BUCIM DO VEIO DO HÉLICE ................................................................................................................................................... 9

5. SISTEMA DE PRODUÇÃO DE ÁGUA DOCE ............................................................................................................................ 9

6. SISTEMA DE COMBUSTÍVEL..................................................................................................................................................11

6.1. DUPLOS FUNDOS E SISTEMA DE TRASFEGA DE HFO........................................................................................................11

6.2. TANQUES DE DECANTAÇÃO DE HFO ...................................................................................................................................11

6.3. SISTEMA DE DEPURAÇÃO DE COMBUSTÍVEL (FUEL E DIESEL) ........................................................................................13

6.4. CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL DO MOTOR P.P. .....................................................................................13

7. SISTEMA DE PRODUÇÃO DE VAPOR....................................................................................................................................14

7.1. CALDEIRA RECUPERATIVA ...................................................................................................................................................15

7.2. GERADOR DE VAPOR ............................................................................................................................................................15

7.3. CALDEIRA DE CHAMA............................................................................................................................................................15

7.4. CONDENSADOR DE VAPOR...................................................................................................................................................17

8. SISTEMA DE PRODUÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA ...............................................................................17

8.1. DIESEL-GERADORES.............................................................................................................................................................18

8.1.1. ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL ........................................................................................................................................18

8.1.2. AR DE SOBREALIMENTAÇÃO................................................................................................................................................18

8.1.3. ÁGUA DOCE DE CIRCULAÇÃO...............................................................................................................................................18

8.1.4. ÁGUA DO MAR DE REFRIGERAÇÃO......................................................................................................................................18

8.1.5. ÓLEO DE LUBRIFICAÇÃO.......................................................................................................................................................19

2 EQUIPAMENTOS E SISTEMAS DO NAVIO


1. SISTEMAS DE ARREFECIMENTO

Um dos aspectos mais importantes a ter em conta nos sistemas de arrefecimento a bordo é a corrosão. Sabendo que a água do mar, pelas suas características químicas provoca uma corrosão acelerada dos sistemas e encanamentos, na construção naval moderna procura-se que a água salgada percorra dentro do navio o menor percurso possível, sendo o arrefecimento directo dos órgãos e sistemas efectuado através de água doce tratada e em circuito fechado.

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Fig. 1 Circuito de água do mar

1.1. CIRCUITO DE ÁGUA DO MAR

No esquema da Fig. 1 podemos observar um circuito de água do mar típico em que aparecem representados os seguintes componentes:

01 - Máquina P.P. 08 - Arrefecedor de água das camisas

02 - Tomada de fundo baixa 09 - Arrefecedor de ar de lavagem

03 - Tomada de fundo alta ou de costado 10 - Válvula termostática

04 - Filtro de fundo 11 - Válvula de descarga p/ borda

05 - Bombas de circulação de água do mar 12 - Circuito de recirculação de água do mar

06 - Sensor de temperatura 13 - Purgador de ar do sistema

07 - Arrefecedor de óleo de lubrificação

Neste sistema a água do mar é aspirada pelas bombas de circulação de água do mar (05) através das caixas de fundo, passa pelos filtros de fundo (04) e circula os arrefecedores de óleo de lubrificação, arrefecedores de ar de lavagem (09) e arrefecedores de água doce de circulação das camisas, descarregando em seguida para o mar.

Quando a água do mar se encontra com uma temperatura baixa (p. ex: quando o navio está a navegar em águas muito frias, a válvula termostática (10) faz com que a água do mar entre em recirculação total ou parcial.

A aspiração da água do mar pode ser efectuada pela tomada lateral ou pela inferior de acordo com as condições de calado do navio.

No caso da fig. 2, a água do mar percorre um circuito ainda mais reduzido.

Com base nestes pressupostos surgem diversas configurações possíveis dos circuitos de arrefecimento, cuja complexidade depende das dimensões e exigências dos sistemas e que pela sua diversidade se torna impossível descrevê-los a todos.



Arrefecimento dos motores Diesel

Os sistemas de arrefecimento dos motores diesel desempenham duas funções principais:

� Remover 30 a 35% do calor gerado pelo motor

� Arrefecer o óleo de lubrificação

1.2. SISTEMAS ABERTOS

Nestes sistemas a água do mar contacta directamente com o motor. Para além do que já foi anteriormente referido, importa salientar mais especificamente as razões pelas quais estes sistemas têm sido abandonados.

A temperatura máxima de saída é limitada a cerca de 50º C dado que, se esta temperatura for excedida o sal precipita-se no bloco e nas câmaras de circulação.

Por outro lado, para além das tensões térmicas provocadas no motor pela entrada de água fria do mar, a corrosão é muito elevada.

1.3. SISTEMAS FECHADOS

Estes sistemas estão livres dos problemas causados pela circulação da água do mar nos motores.

Fig. 2 Circuitos de água do mar e água doce

A água doce atravessa o motor desde a sua parte inferior, onde o motor está mais frio e a água também, circulando no sentido ascendente até à parte superior onde o motor e a água estão mais quentes.

É aconselhável que o diferencial de temperatura através do motor se situe entre os 6 a 12 º C. por forma a evitar as tensões térmicas.

Neste sistema existe um tanque de expansão (ou compensação) com uma capacidade de 5 a 10% do volume de água de arrefecimento em circulação.

Este tanque tem por missão compensar as variações de volume devido às variações de densidade e compensar eventuais fugas que se possam verificar no sistema de circulação.

O controlo de temperatura é efectuado por uma válvula termostática de 3 vias que faz com que a água de circulação faça by-pass ao arrefecedor de água de circulação até ser atingida a temperatura normal de circulação.

É aconselhável manter uma temperatura média de circulação entre 70 e 80 º C no motor.

A válvula termostática controla as quantidades de água que passam pelo arrefecedor ou por fora dele (by-pass). O arrefecedor de água doce de circulação (fresh water cooler) é um permutador circulado pela água doce de circulação (fluído quente) e pela água do mar (fluído frio) aspirada a partir das tomadas de fundo através de filtros (ou ralos de fundo) e que tem por função retirar o calor à água de circulação e enviá-lo para o mar.

TANQUE DE EXPANSÃO

ALIMENTAÇÃO ÁGUA DOCE

VÁLVULA TERMOSTÁTICA 3 VIAS

BOMBA CIRCULAÇÃO

DESCARGA PARA A BORDA

ARREFECEDOR ÁGUA DOCE

ÁGUA MAR DA TOMADA DE FUNDO

FILTRO DE FUNDO

VÁLVULA RECIRCULAÇÃO



1.4. SISTEMA DE ÁGUA DOCE COM CIRCUITOS DE ALTA E BAIXA TEMPERATURA

No sistema representado na figura 3, a circulação de água doce consiste em dois circuitos, um de alta temperatura - AT (vermelho) e outro de baixa temperatura - BT (laranja). Nesta configuração, a água doce vai circular quase todos os permutadores existentes no navio evitando, desta forma, a acção corrosiva provocada pela água do mar e permitindo uma melhor eficiência energética.

Para melhor compreender este tipo de sistema indicam-se em seguida os diversos componentes:

1 a 8 – Diversos arrefecedores do circuito de baixa temperatura (óleo de lubrificação PP, óleo de lubrificação do veio de ressaltos, óleo do sistema do controlo do passo do hélice, arrefecedores de ar de lavagem, compressores de ar, óleo da manga, etc.)

9 – Tanque de expansão

10 – Bomba de enchimento do Tq. Expansão

11 – Controlador de temperatura (circuito de AT)

12 e 13 – Bombas de circulação PP (circuito de AT)

14 - Bomba de circulação AUX (circuito de AT)

15 – Válvula 3 vias de regulação de temperatura (circuito de AT)

16 – Válvula de by-pass

17 – Pré-aquecedor a vapor da água de circulação

18 – Permutador do Vaporizador/Destilador

19 e 20 – Arrefecedores PP

21 - Válvula 3 vias de regulação de temperatura (circuito de BT)

22 - Controlador de temperatura (circuito de BT)

23 e 24 - Bombas de circulação PP (circuito de BT)

25 - Bomba de circulação AUX (circuito de BT)

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Fig. 3 Sistema de água doce de circulação com circuitos de alta e baixa temperatura



1.4.1. CIRCUITO DE ALTA TEMPERATURA

O circuito de alta temperatura (AT) é responsável pela circulação das camisas e êmbolos do motor PP. A água doce comprimida pelas bombas (12, 13 e 14) circula o motor e sai passando pela válvula reguladora de temperatura (15). Se a temperatura estiver abaixo do valor pré-definido no controlador (11), o controlador posiciona a válvula reguladora de temperatura (15) de forma a que toda a água vá directamente para a aspiração das bomba.

Quando, o motor está a trabalhar, a temperatura de circulação atinge o valor estabelecido e o controlador faz com que a válvula reguladora de temperatura (15) comece a dar passagem da água do circuto de baixa temperatura, permitindo manter constante o valor da temperatura do circuito de AT.

O pré-aquecedor (17) tem por finalidade colocar a máquina PP em aquecimento após paragem prolongada de forma a prepará-la para entrar em manobras. Este pré-aquecimento da água de circulação é efectuado ou à custa de vapor ou através da água de circulação dos Diesel-geradores.

O permutador 18 encontra-se instalado no vaporizador/destilador que será tratado com detalhe mais adiante nestes apontamentos.

1.4.2. CIRCUITO DE BAIXA TEMPERATURA

A água doce do circuito de BT é comprimida pelas bombas respectivas (23, 24 e 25), circulando os diversos permutadores intercalados no circuito (1 a 8) passando através da válvula de by-pass (16) ou misturando-se com a água do circuito de AT através da válvula reguladora de temperatura (15).

O controlador 22 recebe o sinal do sensor de temperatura e actua sobre a válvula reguladora de temperatura do circuito de BT (21) fazendo com que a água de circulação passe pelos arrefecedores PP ou pela válvula de by-pass dos arrefecedores (19 e 20) em função da temperatura do circuito. Estes arrefecedores permitem transferir o calor da água doce do circuito de BT para a água do mar.

1.5. ARREFECIMENTO DOS ÊMBOLOS

Numa prática mantida durante muitos anos e ainda hoje seguida por alguns construtores, o arrefecimento dos êmbolos é efectuado através da circulação de óleo de lubrificação.

Com o desenvolvimento de novos motores de grandes dimensões e potências, com o correspondente aumento da quantidade de calor a dissipar, passaram a ser usados sistemas de arrefecimento dos êmbolos que utilizam água doce, dado que a água remove o calor de forma mais eficiente. Como o calor específico da água é cerca do dobro da do óleo de lubrificação, basta cerca de metade da quantidade de água para remover a mesma quantidade de calor. As dimensões e as potências das bombas são, neste caso, correspondentemente reduzidas.

Quando a água doce é utilizada no arrefecimento dos êmbolos, o sistema de circulação é independente do sistema de circulação do motor.

Os sistemas de arrefecimento são também frequentes para as válvulas de injecção de forma a prevenir sobreaquecimentos. Se a válvula injectora está sobreaquecida, o combustível que entra em contacto com ela pode carbonizar, causando o encravamento do bico do injector.

1.6. BOMBAS DE ÁGUA DOCE DE CIRCULAÇÃO

As bombas de água doce de circulação são bombas centrífugas que comprimem a água através do sistema.

Nos motores de média e alta velocidade é frequente que estas bombas se encontrem acopladas ao motor o que faz com que, neste caso, quando a máquina pára a circulação é interrompida.

Nos motores de baixa velocidade, devido à complexidade do mecanismo de transmissão de movimento que seria necessário para que as bombas tivessem uma velocidade adequada, as bombas são accionadas por motores eléctricos. Durante os períodos de ‘shutdown’ as bombas são mantidas a funcionar até que a diferença de temperatura entre a água e o motor seja sensivelmente zero.

1.7. ARREFECEDORES

Existem diversos tipos de arrefecedores (permutadores de calor) desde os de tipo tubolar (shell and tube) até aos de placas, sendo sempre constituídos por duas partes, uma delas circulada pelo fluído frio e outra pelo fluído quente. Este tipo de órgão será estudado em pormenor na disciplina de máquinas auxiliares.

FLUÍDO QUENTE

FLUÍDO FRIO

Fig. 4 Representação esquemática de um permutador de calor



1.8. TRATAMENTO DA ÁGUA

Ao contrário do que acontece com os sistemas abertos, nos sistemas em circuito fechado é possível efectuar o tratamento da água de circulação.

A água doce de circulação deverá ser destilada ou desalinizada de forma a evitar os efeitos corrosivos e a deposição de sais que reduziriam o efeito de transferência de calor, causando o sobreaquecimento dos êmbolos e dos cilindros, acelerando o desgaste e em algumas situações, causando o “agarramento” dos aros dos êmbolos.

É importante que os sistemas de circulação sejam mantidos livres de ferrugem e outros contaminantes que se depositariam de maneira não uniforme podendo provocar pontos quentes “hot spots” nas camisas ou blocos. Estes “hot spots” dão origem a tensões inesperadas que podem provocar falhas nos materiais. Como as películas lubrificantes não podem ser mantidas nas áreas sobreaquecidas os processos de desgaste dos aros e das camisas são muito acelerados.

Para prevenir estas anomalias, são adicionados à água de circulação produtos inibidores que têm por missão depositar uma película nas superfícies metálicas com que contactam e que protege contra a corrosão e ataque erosivo. A erosão é causada normalmente por fenómenos de cavitação na camisa ou nas superfícies do motor.

Este fenómeno ocorre quando a vibração linear provoca a formação de bolhas de vapor. Quando os inibidores geram a película, é esta que é afectada pela cavitação em lugar do próprio metal.

Para que o programa de tratamento da água seja efectivo terá que garantir as seguintes condições:

� O sistema de arrefecimento deve estar limpo de forma a que o inibidor seja capaz de proteger as superfícies das câmaras de circulação;

� O fluído arrefecedor deve ser verificado periodicamente quanto à alcalinidade, teor de crómio e cloretos. O inibidor deve ser mantido activo de acordo com as prescrições do fabricante;

� O fluído arrefecedor deve estar limpo e livre de sais minerais e com baixo teor de gases dissovidos;

� O sistema de arrefecimento deverá ser inspeccionado periodicamente de forma a detectar e eliminar fugas ou entradas de ar ou gases.



2. SISTEMA DE ÓLEO DE LUBRIFICAÇÃO

O sistema de óleo de lubrificação destina-se a assegurar as seguintes missões:

� Reduzir a fricção e o desgaste;

� Actuar como vedante entre os aros e as camisas evitando a passagem de gases da combustão;

� Arrefecer os componentes internos do motor;

� Limpar o interior do motor de sujidades e resíduos carbonosos.

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Fig. 5 - Sistema de óleo de lubrificação da máquina PP

Os motores de cruzeta (crosshead engines) possuem dois sistemas independentes; um para as chumaceiras e componentes móveis (movimentos) e outro para os cilindros onde o óleo de lubrificação entra em contacto com os gases da combustão. No primeiro caso, as funções do óleo de motor são as de lubrificar as chumaceiras, arrefecimento dos êmbolos, protecção contra a corrosão e limpeza. Neste caso não é necessária a utilização de aditivos detergentes/dispersantes porque o óleo não entra em contacto com os gases da combustão. Também não são necessários aditivos de extrema pressão nem outros, obrigatórios quando se trata de motores de tronco (trunk piston).

Os óleos dos cilindros são mais exigentes. Eles devem ser capazes de neutralizar os ácidos sulfúrico e carbónico formados pelos produtos de combustão SO2 e CO2 ao combinarem com a água. Por outro lado devem manter o motor limpo e não se devem deixar carbonizar ou coquizar nas linhas de lubrificação adjacentes a regiões dos cilindros com elevadas temperaturas.

A figura 5 representa um sistema de óleo de lubrificação de um motor principal de cruzeta, destinguindo-se 3 circuitos básicos:

� Circuito de lubrificação principal (veio de manivelas e cruzeta);

� Circuito de lubrificação do veio de ressaltos;

� Circuito de lubrificação das camisas.

2.1. CIRCUITO DE LUBRIFICAÇÃO PRINCIPAL

O óleo de lubrificação é aspirado do tanque de serviço (sub-carter) (4) pelas bombas principais de óleo de lubrificação (5). Estas bombas estão normalmente providas de válvulas de alívio carregadas por mola (6) que, no caso de obstruções (p.ex: válvulas fechadas) evitam que a bomba entre em sobrecarga comunicando a descarga com a aspiração da bomba. Note-se que as bombas



de óleo de lubrificação são do tipo volumétrico, geralmente de carretos e, que por esse motivo, uma obstrução do lado da descarga implica a sua rápida degradação. As válvulas de alívio são, em regra, também utilizadas para regulação da pressão no sistema.

3. SOBREALIMENTAÇÃO E EVACUAÇÃO

Em geral, os motores Diesel, designadamente os utilizados na propulsão são sobrealimentados. Tal como mostra a figura os sobrealimentadores são constituídos pela turbina de gases e pelo compressor de ar. Os gases de evacuação saem do colector de evacuação e libertam parte da sua energia cinética na turbina de gases que transmite movimento ao compressor de ar. Por sua vez, o compressor de ar aspira o ar da casa da máquina através de filtros e comprime o ar através de arrefecedores (arrefecedores de ar de lavagem ‘intercoolers’) para o colector de admissão do motor.

Fig. 6 – Admissão e evacuação da máquina PP

Em alguns sistemas de propulsão, os gases de evacuação são ainda aproveitados para accionamento de uma turbina de potência ligada ao veio de manivelas do motor através de uma caixa redutora. Este arranjo, também ilustrado esquematicamente na figura, permite melhorar o rendimento da instalação, baixando significativamente o consumo específico de combustível do motor.

Ainda com o objectivo de aumentar o rendimento da instalação e permitir um melhor aproveitamento dos gases de evacuação, tendo em conta a elevada temperatura a que eles se encontram à saída das turbinas dos sobrealimentadores, eles são conduzidos para uma ‘caldeira recuperativa’, onde uma parte importante da sua energia térmica é utilizada para a produção de vapor.

2 Compressor de ar1 Turbina de gases

caldeira recuperativa

1 2

Filtros de ar

Sobrealimentadores

Saída para

de ar de lavagem

MÁQUINA PRINCIPAL

Arrefecedores

Colector de Admissão

Colector de Evacuação

2 1

de potênciaTurbina



4. BUCIM DO VEIO DO HÉLICE

O veio propulsor passa para o exterior do casco pelo interior de uma manga vedada por um bucim, de forma a evitar que a água do mar possa entrar no navio. No caso de haver um hélice central, a manga atravessa o cadaste e o veio trabalha apoiado numa chumaceira aí localizada. No caso dos navios que possuem hélices laterais, os respectivos veios, pelo facto de terem que se prolongar para ré e passarem a uma determinada distância do casco, são apoiados em suportes designados por aranhas ligados ao casco.

Em regra, a manga do veio atravessa um tanque de água designado por pique de ré e que permite o arrefecimento da manga.

Os bucins que, tal como ficou dito anteriormente, se destinam a vedar a entrada de água do mar para o navio, podem ser de diversos tipos. A concepção mais antiga e ainda hoje correntemente utilizada em embarcações de menores dimensões, consiste numa caixa (caixa de estofo) de diâmetro superior ao do veio. A vedação é garantida por um determinado número de anéis ou voltas de empanque que ao serem comprimidas dentro da caixa se adaptam à periferia do veio, impedindo assim a passagem de água.

Outro tipo de bucim, designado por ‘bucim simplex’ sendo de concepção mais complexa tem, contudo, a vantagem de aumentar consideravelmente o tempo de serviço e os intervalos entre as intervenções de manutenção. Este tipo de bucim é constituído por uma caixa que envolve o veio e que fica preenchida com óleo.

O óleo que circula nesta caixa encontra-se a uma pressão igual ou ligeiramente superior à pressão exercida pela água do mar evitando, desta forma o ingresso de água.

A pressão do óleo no interior do bucim é criada pela coluna de óleo formada entre os tanques de gravidade e o próprio bucim.

A existência de dois tanques, situados a alturas diferentes, permite compensar as diferenças de calado originadas pela carga do navio.

Um sistema típico de ‘bucim simplex’ encontra-se representado na figura 8.

5. SISTEMA DE PRODUÇÃO DE ÁGUA DOCE

Apesar de existirem numerosos tipos de sistemas utilizados na produção de água doce a bordo dos navios, vamos limitar-nos a descrever resumidamente um sistema típico que utiliza um vaporizador-destilador de baixa pressão ou de vazio, por ser aquele que é mais utilizado nos navios com instalação propulsora Diesel.

Com já foi referido, a água de circulação dos motores principais e auxiliares, bem como a água de alimentação das caldeiras, é uma água destilada ou desmineralizada e sujeita a diversos processos de tratamento de forma a evitar ou reduzir os efeitos corrosivos, incrustações e outros contaminantes que reduzem a vida dos equipamentos e diminuem os períodos entre intervenções de manutenção.

Manga

Bucim Pique de ré

União Chumaceira

Veio propulsor Veio intermédio

Túnel do veio

Fig. 7 – Veio do hélice

Tanque de reserva

Tanque de gravidade baixo

Tanque de gravidade alto

P/ tanque de drenosS

do tq. de reservade enchimentoBomba

Bucim

Filtros de óleo

do veio

Bombas de óleo do bucim

S

Arrefecedorde óleo

Água de circulação

Fig. 8 – Circuito de circulação do bucim ‘simplex’



Esta água, na maior parte dos casos, é produzida por destilação da água do mar, em equipamentos especialmente concebidos para esta finalidade

Fig. 9 - Vaporizador / Destilador

A figura 9 representa um sistema de produção de água doce constituido por um vaporizador-destilador de baixa pressão (vácuo), possuindo na parte inferior um vaporizador e na parte superior um condensador ambos de feixe tubular. O vaporizador é circulado pela água de circulação do motor principal (circuito de água doce de alta temperatura) e o condensador é circulado por água do mar. Uma bomba de grande capacidade, aspira a água do mar e comprime-a a grande pressão para ejectores que funcionam pelo efeito de “venturi”, e que desempenham as seguintes funções:

� Extrair o ar do sistema criando o vazio;

� Extrair a salmoura precipitada durante a vaporização da água do mar.

Em simultâneo, a bomba de água do mar alimenta o vaporizador através de filtros e de uma válvula de ajuste fino, garantindo uma pequena passagem de água do mar que vai ser vaporizada. Devido à baixa pressão (vácuo) reinante no vaporizador, a temperatura de vaporização da água do mar é relativamente baixa, sendo suficiente a temperatura da água doce de circulação do motor P.P (≈ 70º C) para produzir a vaporização da água do mar, não sendo necessária qualquer outra fonte de calor. Como a temperatura de vaporização é tanto mais baixa quanto maior for o vazio no vaporizador, e em consequência maior a quantidade de água produzida, é importante manter o sistema completamente estanque.

Os vapores formados passam através do condensador e condensam sendo a água assim produzida removida por bombas de extracção e enviada para os tanques de armazenamento ou de “aguada”.

Dado que a vaporização é efectuada a uma temperatura relativamente baixa, não é possível a eliminação da maior parte dos agentes bacterianos e por esse motivo a água produzida é sujeita a um processo de esterilização antes de poder ser consumida.

Também, neste sistema, o controlo pode ser feito manual ou automaticamente. A água destilada produzida passa, antes de ser enviada para os tanques de aguada, por um salinómetro que mede o teor de sais que ela contém. Este salinómetro é um dispositivo eléctrico ou electrónico que mede a condutibilidade da água que é, como sabemos, dependente da quantidade de sais dissolvidos. Quando o teor de sais é superior a um determinado limite de referência o salinómetro envia um sinal eléctrico para as válvulas de solenóide (A) e (B) fazendo com que a válvula (A) feche e abrindo a válvul (B) ficando a água destilada a recircular através do vaporizador até que o teor de sais baixe até ao valor limite superior pré-definido.

O sistema só deve ser colocado em funcionamento quando o navio navega em alto mar de forma a garantir que a água do mar de alimentação está isenta ou quase isenta de contaminantes.

Quando a temperatura da água de circulação do motor P.P. se estabiliza na temperatura normal de funcionamento (≈ 70º C), a válvula de by-pass (C) é fechada e abertas as válvulas (D) e (E) fazendo com que toda a água de circulação passe através do vaporizador.

A B

CONDENSADOR

ÁGUA DO MAR

DESCARGA PARA A BORDA

EJECTORES

EXTRACÇÃO DE ÁGUA

DESTILADA

ÁGUA DOCE DO CIRCUITO DE ALTA

TEMPERATURA

EXTRACÇÃO SALMOURA

ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA DO MAR

VÁLVULA CALIBRADA

ASPIRAÇÃO ÁGUA MAR

FILTRO

SALINÓMETRO

ESTERILIZADOR



6. SISTEMA DE COMBUSTÍVEL

Os sistemas de alimentação de combustível dos navios, tal como acontece para os restantes sistemas, podem ter variadas configurações em função das dimensões do navio, potências instaladas, tipo de propulsão, etc.

No caso de navios em que a propulsão é efectuada com motores Diesel de média e baixa velocidade, é comum que esses motores sejam alimentados durante a marcha normal por combustíveis pesados (HFO-Heavy Fuel Oils ou IFO-Intermediate Fuel Oils) e durante os períodos de arranque ou em manobras, por combustíveis mais leves (Marine Diesel ou mesmo gasóleo) de forma a facilitar os arranques, devido à maior relação de cetano do Diesel e evitar a acumulação de resíduos nos injectores, bombas de injecção e tubos de combustível.

A diferença de características dos dois tipos de combustíveis implica que o sistema de alimentação seja constituído por componentes adequados à utilização desses combustíveis.

Em termos gerais podemos dizer que o sistema de combustível é constituído por dois subsistemas que se interligam - Sistema de HFO (combustível pesado) e sistema de Diesel Oil (combustível mais leve).

6.1. DUPLOS FUNDOS E SISTEMA DE TRASFEGA DE HFO

O combustível a bordo é armazenado em tanques vulgarmente designados por “duplos fundos” que, de acordo com as novas normas de construção não podem servir de antepara de colisão.

O combustível pesado é guardado à temperatura ambiente e apenas é aquecido quando se pretende trasfegar, dado que, para que a bombagem possa ser efectuada, é necessário baixar a sua viscosidade. É de notar que as operações de trasfega não se realizam apenas quando se prevê vir a consumir combustível do tanque, mas também, quando necessário para corrigir a inclinação do navio, seja a inclinação lateral seja o caimento (Trim).

Fig. 10 Circuito de trasfega de combustível pesado.

Como se pode observar na figura 10, o circuito permite trasfegar combustível entre duplos fundos, ou destes para os tanques de decantação. Dadas as características do HFO, particularmente a sua viscosidade, as bombas de trasfega são do tipo volumétrico (de deslocamento positivo), normalmente de engrenagens ou de parafuso.

Tal como se pode observar na figura, os tanques de armazenamento são providos de sistemas de aquecimento a vapor que, na maioria dos casos, são constituídos por serpentinas fixas às paredes laterais dos tanques.

6.2. TANQUES DE DECANTAÇÃO DE HFO

Os tanques de decantação representados na figura 11, constituem a primeira fase de tratamento do combustível destinado à alimentação da máquina P.P. É nestes tanques que o combustível passa um período de estágio de forma a que se possa dar a decantação (separação da água que o combustível contém). Esta operação é realizada a uma temperatura relativamente elevada que é função da qualidade do Fuel.



Durante a fase de decantação torna-se necessário purgar com frequência a água que se acumula, devido à sua densidade ser superior à do Fuel, na parte inferior do tanque. Esta operação nos navios modernos é feita através de purgadores automáticos.

Fig. 11 Tanques de decantação de HFO



6.3. SISTEMA DE DEPURAÇÃO DE COMBUSTÍVEL (FUEL E DIESEL)

Depois da fase de decantação, o combustível sofre outro tipo de tratamento designado por depuração.

Tal como se pode observar na figura 12 as depuradoras de HFO aspiram dos tanques de decantação e enviam o combustível depurado para os tanques de serviço diário de fuel. Apesar de no esquema aparecer apenas uma depuradora de HFO, na prática é comum a existência de duas ou mais depuradoras.

É comum a utilização de duas depuradoras em série, funcionando uma como depuradora e outra como clarificadora.

No caso Diesel Oil, a depuradora aspira directamente dos tanques de armazenamento sem passar por tanques de decantação.

Fig. 12 Circuito de depuração de combustível

As bombas aspiram o combustível através de filtros, comprimindo-o para os aquecedores, entrando depois nas depuradoras onde, devido a um processo de centrifugação, a água residual e as lamas são separadas e descarregadas enquanto o combustível tratado é enviado para os tanques de serviço diário. Em alguns casos as bombas são acopladas às próprias depuradoras.

O tanque diário de HFO alimenta tanto o circuito do motor P.P. como a caldeira de chama, enquanto o tanque diário de Diesel alimenta o circuito do motor P.P., os motores geradores e a caldeira de chama.

As temperaturas dos tanques de serviço diário são mantidas nos valores adequados graças à acção de válvulas termostáticas que recebem o sinal de temperatura dos tanques.

Na figura aparecem ainda representados encanamentos de retorno de combustível do circuito de alimentação do motor P.P., da caldeira e dos grupos geradores.

6.4. CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL DO MOTOR P.P.

A figura 13 mostra um circuito de alimentação de combustível típico de um motor P.P.. A válvula (01) permite fazer a mudança de Fuel para Diesel ou vice-versa. As bombas de alimentação (02) comprimem o combustível para o tanque de mistura através de um contador ou caudalímetro. O tanque de mistura tem por função uniformizar o combustível nas alturas de mudança de Fuel para Diesel ou Diesel para Fuel.

Do tanque de mistura, o combustível passa por um primeiro grupo de filtros (filtros frios) situados antes das bombas elevatórias (05) é comprimido por estas para os aquecedores (07) que têm por função aumentar a temperatura do fuel de forma a garantir que este adquira uma viscosidade adequada a uma injecção e pulverização perfeitas. Depois de passar nos aquecedores, o combustível volta a ser filtrado no filtros quentes (08), seguindo para o colector das bombas de injecção.

O controlo da temperatura nos aquecedores é efectuado por um viscosímetro que mede permanentemente a viscosidade do combustível e envia um sinal para comando da válvula termostática que regula a quantidade de vapor para os aquecedores.



Nestes sistemas, é utilizado um sistema de vapor para aquecimento dos tubos e colector de combustível, de forma a impedir que este solidifique nas condutas no caso de paragem das bombas.

Fig. 13 Circuito de alimentação de combustível do motor P.P.

7. SISTEMA DE PRODUÇÃO DE VAPOR

Antes de entrarmos na descrição do sistema de produção de vapor, convém recordar que o sistema corresponde a uma instalação típica de um navio tanque petroleiro com propulsão por motor Diesel, em que o vapor é utilizado essencialmente para:

� Aquecimento de tanques de combustível;

� Accionamento do turbo-gerador;

� Operação das turbo-bombas de carga;

� Aquecedores de combustível e de água de circulação;

� Sistemas de tratamento de combustível (depuradoras).

O sistema de vapor representado na figura (14) consiste numa caldeira recuperativa e numa caldeira de chama interligadas por um gerador de vapor comum.

De forma a simplificar a representação dos componentes, o gerador de vapor surge como uma unidade separada sendo que, na realidade, este gerador faz, normalmente, parte integrante da caldeira de chama, funcionando como um ebulidor secundário colocado sobre o ebulidor primário (caldeira de dupla pressão).

O vapor do sistema primário da caldeira de chama é condensado no gerador de vapor, passando por gravidade, na forma de água para o ebulidor primário.

A água do gerador de vapor é aspirada para a secção de vaporização da caldeira recuperativa e uma mistura de água e vapor retorna ao ebulidor secundário.

O sistema primário de água é hermético e fechado não se verificando, em situação normal, qualquer consumo de água. Se a pressão, contudo, se tornar demasiado alta que leve à abertura das válvulas de segurança ou, se ocorrer alguma fuga, o nível de água no ebulidor primário desce, podendo ser reposto através de uma bomba de alimentação (06).

Existem duas bombas de alimentação para o sistema secundário (08) e (09). A água comprimida pela bomba principal (09) é pré-aquecida na secção de economizadores da caldeira recuperativa antes de ser enviada para o ebulidor secundário, enquanto a bomba auxiliar (08) comprime directamente para o ebulidor secundário. A bomba auxiliar de alimentação só deve ser utilizada em situações de grande consumo de vapor, (p. ex: quando estão a funcionar as turbo-bombas de carga). Esta bomba possui cerca de cinco vezes a capacidade da bomba de alimentação principal.

O nível da água no ebulidor secundário é regulado por um controlador de nível PID (10) com bandas de controlo proporcional, integral e derivativa, accionando duas válvulas de alimentação em paralelo, a partir de um conversor I/P.



A transferência de calor na caldeira recuperativa é controlada por válvulas (dampers) que fazem com que os gases de evacuação do motor P.P. façam “by-pass” ao feixe tubular da caldeira. A posição dos “dampers” é também regulada por um controlador PID. O controlador “master” da caldeira de chama também actua de acordo com a pressão do vapor secundário.

Os condensados provenientes dos aquecimentos e serviços diversos retornam a um tanque de filtragem/observação e daí passam ao tanque de alimentação.

A água proveniente do condensador é enviada directamente para o tanque de alimentação.

Quando a caldeira de chama se encontra em funcionamento, há um consumo de água devido ao consumo de vapor para atomização do combustível da caldeira. Por outro lado, a eventual abertura de válvulas de dreno e ventilação, válvulas de segurança, fugas de vapor e condensados, etc, provocam o abaixamento do nível da água no tanque de alimentação.

A temperatura da água à chegada ao tanque de inspecção, proveniente dos condensados é de cerca de 80º C.

Quando os feixes tubulares das caldeiras de chama e recuperativa se encontram cobertos de fuligem torna-se necessário proceder à sua limpeza através de sopradores de fuligem que funcionam com vapor no caso da caldeira de chama e ar comprimido para a caldeira recuperativa.

7.1. CALDEIRA RECUPERATIVA

Os gases de evacuação do motor P.P. são arrefecidos na caldeira recuperativa antes de sairem para a atmosfera através da chaminé.

Com o motor a plena carga o vapor gerado na caldeira recuperativa é suficiente para accionar o turbo-gerador e fornecer o vapor necessário para diversos serviços (aquecimento de tanques, permutadores, etc.).

Em situação de marcha reduzida ou quando o feixe tubular da caldeira recuperativa se encontra sujo com fuligem, é necessário que as caldeiras de chama e recuperativa trabalhem em paralelo de forma a gerar o vapor necessário para os diversos serviços.

A caldeira recuperativa integra três secções distintas:

Secção de sobreaquecimento;

Secção de vaporização;

Secção do economizador.

O vapor saturado do gerador de vapor (ebulidor secundário da caldeira de chama) é sobreaquecido na caldeira recuperativa e enviado para accionamento do turbo-gerador.

A água com uma temperatura próximo da ebulição é aspirada do gerador de vapor e comprimida para a secção de vaporização. A mistura de água e vapor retorna ao ebulidor secundário para separação.

A água de alimentação é aspirada do tanque pela bomba de alimentação principal e enviada para o economizador, seguindo posteriormente para o ebulidor secundário. Normalmente no ebulidor a água não chega a vaporizar.

O controlo de capacidade da caldeira recuperativa é efectuado por válvulas de borboleta (damper’s) situadas na passagem dos gases de evacuação do motor P.P.

7.2. GERADOR DE VAPOR

O ebulidor secundário da caldeira de chama situado, na maioria dos casos, dentro da própria caldeira opera como gerador de vapor. Ele recebe o calor da caldeira recuperativa na forma de água pré-aquecida proveniente do economizador e na forma de vapor produzido na secção de vaporização e ainda na forma de vapor gerado no ebulidor da caldeira de chama que se vai condensar num permutador submerso situado no interior do gerador de vapor.

A relação de transferência de calor do vapor primário para o secundário no permutador depende das pressões de vapor. A pressão do vapor secundário é mantida constante enquanto a pressão do vapor primário flutua em função da carga.

7.3. CALDEIRA DE CHAMA

A injecção e atomização do combustível nos queimadores da caldeira de chama é conseguida à custa da injecção de vapor.

O vapor primário é condensado no ebulidor secundário (gerador de vapor) e o condensado volta por gravidade para o ebulidor primário.

O sobreaquecedor, constituído por quatro secções dispostas em contra-corrente relativamente ao fluxo de gases de combustão da caldeira, é alimentado com vapor saturado (≈ 200 ºC) e enviado depois de sobreaquecido (≈ 400 ºC) para as turbo-bombas de carga.

A água na caldeira circula naturalmente por convecção.

Geralmente as caldeiras de chama dispõem de dispositivos analisadores de oxigénio e indicadores de fumos de forma a que a combustão possa ser controlada correctamente.

Um aquecedor de vapor alimentado por vapor secundário é instalado no barrilete primário inferior.

16

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Fig. 14 - Sistem

a de produção de vapor



Legenda da figura 14

01 - Ebulidor primário ou colector de vapor 09 - Bomba de alimentação principal

02 - Sobreaquecedores 10 - Controlador de alimentação

03 - Colector de água 11 - Bomba de circulação

04 - Válvula de segurança circuito primário 12 - Bomba de extracção principal do condensador

05 - Válvula reguladora de pressão de vapor p/ queimadores 13 - Bomba de extracção auxiliar do condensador

06 - Bomba de alimentação 14 - Bomba de extracção de ar do condensador

07 - Bomba trasfega 15 - Válvula de segurança do gerador de vapor

08 - Bomba de alimentação auxiliar

7.4. CONDENSADOR DE VAPOR

O condensador de vapor (a vácuo) é circulado por água do mar e destina-se a condensar o vapor de evacuação do turbo-gerador e das turbo-bombas de carga.

O condensado é aspirado do condensador pelas bombas de extracção e enviado para o tanque de água de alimentação.

Normalmente a bomba auxiliar só é posta em funcionamento quando as turbo-bombas de carga estão a trabalhar. Esta bomba tem uma capacidade cerca de 6 vezes superior à bomba principal.

8. SISTEMA DE PRODUÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA

A figura 14 representa uma configuração típica de um sistema de produção e distribuição de energia de um navio em corrente alternada, constituída por quatro grupos Diesel-Geradores ligados a um quadro principal e um Diesel-Gerador de emergência ligado ao respectivo quadro.

Fig. 15 – Produção e distribuição de energia eléctrica a bordo



Neste caso, alguns motores eléctricos são alimentados a 660 V enquanto outros são alimentados a 440 V através de um transformador.

Independentemente de outras opções que possam existir, em regra a energia eléctrica a bordo pode ser produzida a partir de:

� Diesel-geradores

� Turbo-geradores

� Geradores acoplados ao motor P.P.

Os sistemas de emergência permitem alimentar os diversos circuitos e equipamentos essenciais, como sejam: bombas de incêndio; bombas de esgoto; equipamentos de comunicações; radar; sonda; iluminação de emergência; molinete; alarmes; etc.

A energia eléctrica de emergência é produzida através de geradores de emergência, normalmente accionados por motores Diesel autónomos, situados fora da casa da máquina, em locais de fácil acesso. Estes grupos de emergência entram em funcionamento automaticamente e passam a alimentar os circuitos essenciais, quando se verifica uma situação de “blackout”.

Em alguns casos a alimentação eléctrica de emergência é efectuada a partir de grupos de baterias, que devem ser sempre mantidas carregadas e em condições de, em qualquer altura poderem entrar em serviço.

8.1. DIESEL-GERADORES

A figura 16 representa os diversos sistemas associados a um grupo Diesel-gerador, podendo-se verificar a existência dos seguintes circuitos:

Alimentação de combustível Ar de sobrealimentação

Água doce de circulação Água do mar de refrigeração

Óleo de lubrificação Ar de arranque

8.1.1. ALIMENTAÇÃO DE COMBUSTÍVEL

Neste caso, o motor Diesel é alimentado com Diesel Oil (Marine Diesel). O combustível é aspirado dos tanques de serviço (tanques diários de D.O.), por uma bomba acoplada ao motor (1), sendo depois filtrado (2) e enviado para o colector que alimenta as bombas de injecção. O contrlo destas bombas é efectuado por um regulador de velocidade (3) de forma a manter constante o número de rotações do motor e em consequência a frequência da corrente eléctrica produzida, independentemente das flutuações de carga (potência eléctrica consumida pelos diversos equipamentos do navio).

O combustível em excesso retorna ao tanque de serviço de D.O.

8.1.2. AR DE SOBREALIMENTAÇÃO

O ar de sobrealimentação do motor é aspirado da casa da máquina pelos sobrealimentadores (4) e enviado para o colector de ar de lavagem depois de arrefecido nos arrefecedores respectivos (5). Os sobrealimentadores são constituídos por um compressor de ar acoplado a uma turbina montada no mesmo veio e accionada pelos gases de evacuação do motor (6).

8.1.3. ÁGUA DOCE DE CIRCULAÇÃO

No sistema representado a água doce de circulação (circuito fechado) descreve o seguinte percurso:

É aspirada pela bomba acoplada (7), passa pelo arrefecedor de óleo de lubrificação (8), atravessa o arrefecedor de ar de lavagem (5) e entra no motor. A água que sai do motor vai passar na válvula termostática (9) que, em função da temperatura medida na descarga da bomba de circulação, controla a sua passagem pelo arrefecedor (10). Quando a temperatura da água na descarga da bomba tem tendência a aumentar, a válvula termostática de 3 vias faz com que o caudal de água que passa pelo arrefecedor aumente de forma a manter constante as temperaturas de funcionamento do motor, do óleo de lubrificação e do ar de sobrealimentação.

8.1.4. ÁGUA DO MAR DE REFRIGERAÇÃO

O circuito de água do mar é, como se pode ver e pelas razões já antes expostas, bastante reduzido.

A água é aspirada do mar através de filtros (11) pela bomba acoplada (12) e enviada para a borda depois de passar pelo arrefecedor de água de circulação (10).



Fig. 16 - Circuitos de um grupo Diesel-Gerador

8.1.5. ÓLEO DE LUBRIFICAÇÃO

Em funcionamento normal o óleo de lubrificação é aspirado do cárter ou do tanque de serviço (13) pela bomba acoplada (14). A válvula de alívio (15) permite regular a pressão do óleo de lubrificação no circuito.

O óleo passa pelo arrefecedor (8) e depois de filtrado (9) entra no motor, lubrificando os diferentes componentes.

Em paralelo com a bomba de lubrificação principal existe uma bomba accionada electricamente (em alguns casos esta bomba pode ser do tipo manual de relógio), cuja função é efectuar a pré-lubrificação do motor, antes do seu arranque.

Quando a bomba está em regime automático, o que acontece normalmente quando o grupo se encontra em “standby”, um pressostato faz ligar e desligar a bomba de forma a manter a pressão do óleo de lubrificação dentro de limites pré-definidos, fazendo com que o sistema se mantenha engodado e pronto a entrar em serviço.

Este dispositivo automático é obrigatório particularmente nos casos em que os grupos electrogéneos (grupos Diesel-Geradores) arrancam e entram no quadro automaticamente sem intervenção do operador em função de aumentos de carga nos circuitos1.

1 Quando os grupos geradores estão em regime automático, o arranque, a paragem, a entrada e a saída do paralelo é efectuada sem intervenção do operador, existindo um dispositivo automático de sincronismo que acerta as frequências e concordância de fases (alternador e rede) antes de accionar o disjuntor que estabelece o paralelo. O equilíbrio de cargas é também efectuado de forma automática.

equipamentos e sistemas do navio-nov2003

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