PROIECTAREA ȘI EXPLOATAREA AUTOMATIZĂRII MOTORULUI POMPEI DE BALAST A UNEI NAVE BULKCARRIER [309330]

UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA

FACULTATEA DE ELECTROMECANICĂ NAVALĂ

LUCRARE DE DISERTAȚIE

Coordonator științific:

Conf. univ. dr. ing. NOVAC IORDAN

Absolvent: [anonimizat]

2020

UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA

FACULTATEA DE ELECTROMECANICĂ NAVALĂ

PROIECTAREA ȘI EXPLOATAREA AUTOMATIZĂRII MOTORULUI POMPEI DE BALAST A UNEI NAVE BULKCARRIER

Coordonator științific:

Conf. univ. dr. ing. NOVAC IORDAN

Absolvent: [anonimizat]

2020

CUPRINS

LISTA FIGURILOR

LISTA TABELELOR

INTRODUCERE

Prezenta lucrare va prezenta analiza sistemului de balast free de la bordul navei ca o alternativă a sistemului clasic de balast existent în prezent. Astfel primul capitol va prezinta analiza unui sistem hibrid de balast realizat în practică la bordul navei.

Capitolul doi va face o analiză pe rând a dimensiunilor și apoi a următoarelor echipamente: [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], sistemele de ungere și răcire.

Capitolul trei face o analiza a sistemului de balast în general prezentând: [anonimizat]-debalastare, [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat].

[anonimizat] (în anumite condiții) și în magaziile de marfă.

[anonimizat] a navei și calități optime de manevrare. [anonimizat], [anonimizat] i se acorde o atenție deosebită. [anonimizat].

[anonimizat] a balastului lichid.

[anonimizat].

Capitolul cinci va face o analiza practică a sistemului de balast cu curgere liberă plecând de la studiile realizate la Univesitatea din Michigan.

Pentru realizarea proiectului se vor folosi documentații de la bordul navei dar și documentații ale principalelor instituții care au realizat cercetări în domeniu. Sistemul de balast free este în continuă dezvoltare și reprezintă o alternativă la sistemul clasic de balastare cu sistem de tratare a apei. Ca rezultate urmăresc prezentarea unor studii care să arate viabilitatea acestui sistem cu curgere liberă.

CAPITOLUL 1.

CONCEPTUL DE SISTEM HIBRID BALAST FREE

(NAVA FĂRĂ TANCURI DE BALAST)

1.1.INTRODUCERE

Orice navă maritimă trebuie să ambarce apa de balast. [anonimizat] a [anonimizat] a [anonimizat], sau pentru a asigura o vizibilitate mai bună, etc. Cu toate astea apa de balast transportată în tancurile de balast conține organisme care pot invada teritoriile speciilor indigene. Aceste specii, precum algele asiatice, crabul Mitten, crabul verde European, algele toxice și scoicile de tip Zebra , devin invadatori și sunt în stare să pună în pericol echilibrul ecologic local. Aceste specii pot pune în pericol sănătatea publică, activitățile piscicole și pot avaria echipamentele navelor. Invazia unei specii care nu este băștinașa poate genera consecințe negative asupra animalelor, plantelor sau oamenilor care locuiesc aproape de porturi.

Pentru a preveni transportul speciilor invadatoare nedorite IMO a introdus un Plan de Management al Apei de Balast care constă în Standardul de Schimb al Apei de Balast (D1) și Standardul Peformanta al Apei de Balast (D2) în cadrul Convenției Internaționale pentru Controlul Apei de Balast și Sedimente din Apă (IMO, 2004). În cadrul reglementărilor IMO D1, se prevede fapul că nava trebuie să efectueze schimbul apei de balast la o distanță de cel puțin 200 de mile de cel mai apropiat mal, unde apa are o adâncime de cel puțin 200 metri. Dacă nu este posibil să se respecte distanță de 200 de mile, nava trebuie să schimbe apa de balast cât mai departe de mal, la o distanță de cel puțin 50 de mâl și o adancimce de cel puțin 200 metri. În cadrul reglementărilor D2, orice navă care folosește metoda de diluare sau de curgere pentru schimbul apei de balast, trebuie să înlocuiască cel puțin 95% din volumul de apă de balast prin pomparea a unei cantități de trei ori mai mare față de volumul tancurilor de balast. Navele care abordează metoda scventiala de schimb a apei de balast nu sunt incluse în aceste reglementări, din timp ce acestea își umple sau își golesc tancurile în mod complet.

1.2. STUDII SIMILARE ACEASTĂ TEMĂ

Există metode variate pentru a preveni transportul speciilor care nu sunt native prin intermediul apei de balast pe întreaga suprafață globală, iar acestea nu implica neapărat schimbul apei de balast în locații preaprobate. Nava ar putea avea capacitatea de a trata apa de balast, în port sau la bord pentru a elimina toate organismele care sunt conținute în apă de balast. Tratarea apei de balast implica folosirea unor tehnici dezvoltate precum fitrarea, radiația UV, tratamentul termic, electroliză, clorinarea, etc. Toate aceste tehnici duc la atingerea diferitelor rezultate, eliminând la un anumit nivel organismele nedorite din tancurile de balast. Pentru a obține o eliminare mai eficientă unele dintre aceste tehnici sunt combinate, precum filtrarea + clorinarea, filtrarea + radierea UV sau filtrarea + ozonarea + tratarea cu utrasunete. În mode alternativ, speciile nedorite pot fi eliminate din transferul de apă de balast prin crearea unui nou concept de chilă de navă, mai exact nava fără instalație de balast. Unele tipuri de nave cu concepte inovatoare sunt proiectate pentru a reduce cât mai mult posibil cantitatea de apă de balast necesară. Acest nou tip de proiect de nava poate economisi energie și poate reduce costuri prin reducerea cantității de apă ce trebuie să fie transportată în tancurile de balast.

Prin rezolvarea acestei s-a apelat la analiza sa din mai multe puncte de vedere, una din ideile propuse constând în modificarea formei clasice a chilei, folosindu-se o formă asemănătoare cu litera V, variantă care trebuie să fie însoțită de folosirea propulsoarelor de tip pod, pentru a permite atingerea unui pescaj corespunzător, chiar dacă e la nivel minim. Acest tip de proiect poate reduce și consumul de combustibil cu un procentaj de până la 9%, în comparație cu consumul unei nave cu proiect convențional, care este dotat cu sistem de propulsie Diesel-Electric sau Dual Fuel LNG.

Alți cercetători au propus o formă de chilă trapezoidală, care nu implică folosirea apei pentru balast. În timpul voiajului nava se poate scufunda fără a avea nevoie de apă de balast. Un pescaj mai mare poate fi atins prin reducerea tonajului. Ca răspuns la solicitările logitudinale, unii cercetători au propus limitarea mărfurilor care au forme longitudinale și montarea unor pereți etanș transversali pentru a minimiza efectul suprafețelor longitudinale libere. Totuși, dacă se urmează aceste tipuri de proiecte, aceste nave trebuie să-și reducă din capacitatea de încărcare. Pe de altă parte alți cercetători au propus un design de chilă de forma rotundă cu linii de curgere, că la alternativă la formă de chilă în “V”, estimându-se faptul că nava își reduce suprafața de plutire și forța de frecare cu un procentaj de 6,2 %. Nava care va fi dotată cu propulsor de tip pod va putea să-și scufunde elicea chiar și atunci când nu este încărcată.

Un alt concept de nava fără instalație de balast a fost propus de alți cercetători, pentru o navă de tip vrachier. Corpul navei este compus din compartimente longitudinale care extind de la porva navei înspre pupa sub linia de plutire a balastului, pentru a înlocui tancurile de balast convenționale. Înălțimea punții dublu fund este puțin mai mare pentru a putea asigura un volum complet pentru sistemul balast fără tancuri. Adâncimea navei este și ea puțin marita pentru a compensa pierderea de cantitate de marfă. Acest concept nu face nimic altceva decât să-și reducă flotabilitatea, dar nu își mărește greutatea pentru a asigura u curgere continua de apă de la prova la pupa navei în timpul mișcării navei, acest fenomen fiind generat de presiunea hidrodinamică dintre gură de aspirație a apei și cea de refulare, astfel evitându-se transportul de apă de balast între porturi. Când marfa este pregătită pentru încărcarea la bord apa mare intra în tunele prevăzute și este circulată prin intermediul pompelor convenționale de balast. Amplasarea gurii de aspirație și ce a refulării au fost analizate în detaliu pentru a asigura o presiune hidrodinamică cât mai mare între prova și pupa navei. Diferențele mai mari de presiune vor genera un flux de apă prin tuneluri și va spori abilitatea compartimentelor să permită curgerea apei de mare printre ele. S-a estimat abilitatea navei de a sigură un pescaj suficient și o un control al asietei, cât și capabilitatea de a folosi un anumit poligon de echilibru.

Dispunerea tancului de balast al navei pentru nava aleasă pentru această simulare are formă de “L”, iar tancurile din tribord și din babord sunt separate la cuplul maestru. Canitatea totală de apă este de 57893,5 m3, în timp ce sumă tancurilor de balast aflate în bordure, în puntea dublului fund, este de 36613,7 m3. Volumul tancurilor de balast sub linia de plutire este de 7587 m3, iar volumul coferdamului este de 9939 m3. Volumul total la aft și fore peak este de 5664, 7 m3. Pescajul și asieta navei se pot schimba odată cu modificarea designului navei. Totuși trebuie să fie respectate câteva condiții impuse de MEPC, din anul 2002, mai ales atunci când se discută despre pescajul și asieta navei. Pescajul modelat la planul cuplului maestru trebuie să fie egal cu cel puțin 0,02 din lugimea navei + 2 metri (deci Tm mai mare sau egal cu 2.0 + 0.02 L), în timp ce asieta navei în zona pupa nu trebuie să depășească 1,5% din lungimea totală a navei (Tpupa trebuie să fie mai mic sau egal cu 0,015 L nava). Perpendicularele prova și pupa sunt mereu setate la un nivel la care elicea navei este scufundată mereu. Proiectul de sistem hibrid fără instalație de balast face referire la o navă transportatoare de LNG (gaz natural lichefiat) care este deja construită. Nava aceasta are anumite particularități, lungimea sa totală fiind de 280,62 metri, 266,00 metri este lungimea între perpendiculară, lățimea sa este de 41,63 metri, adacimea sa este de 27,5 metri, iar pescajul când nava nu este încărcată este de 3,91 metri, iar pescajul de vară cu nava încărcată este de 11,72 metri. În condiții normale de balastare pescajul navei este de 9,755 metr, cel de la prova fiind de 8,53 metri, în timp ce pescajul din pupa este de 11,05 metri. Valoarea normală a asietei este de 2,52 metri, la pupa. În timpul operațiunilor de manevrare a mărfii nava trebuie să fie echilibrată, în timp ce pescajul nu trebuie să depășească pescajul de vară pentru a se asigura efectuarea acestor operațiuni în siguranță, conform raportului MIȘC din 2003.

1.3. METODOLOGIE

Acest studiu își propune analiza unui sistem hibrid de balast. Acest sistem combina sistemul de balast convențional și sistemul de tip “ballast free”, păstrând caracateristici ale ambelor sisteme. Îmbinarea acestor sisteme ar putea să reducă costurile de tratament al apei de balast prin reducerea cantității de apă de mare aspirată la bord în tancurile convenționale și prin permiterea apei să curgă liber prin tunele prevăzute. Filozofia din spatele acestui proces de hibridizare constă în analiza capacitate de a menține capacitatea de încărcare a navei, iar această măsură este luată că referință inc cadrul analizei făcute. Nu se înregistrează niciun fel de reducere a înălțimii punții dublului fund, iar adâncimea navei rămâne aceeași. Dimensiunile navei rămân aceleași, astfel încât nu se fac modificări majore, permițându-se astfel să se instaleze un nou tip de instalație de balast la bordul navei. Conceptul constă în distribuirea spațiului existent destinat apei de balast, fără introducerea unor compartimente noi la bord. Unele din spațiile care erau destinate apei de balast și făceau parte din sistemul convențional de balast sunt folosite ca spații pentru montarea tunelurilor speciale din puntea dublul fund. Mai mult decât atât, analiza prezentată are menirea de a obține pescajul necesar, dar și asieta, folosindu-se doar sistemul de tip balast-free.

Sistemul convențional de balast este compus dintr-o serie de secțiuni care sunt dotate cu unități de filtrare, unități de tratare, tancuri, pompe de descărcare și pompe de balast, cât și pompe de spălare, așa cum este prezentat în figură 1.1. Unitatea de fitrare este folosită pentru eliminarea componentelor mari din apă de mare înainte de a intra în sistemul principal. Orice particule de mari dimensiuni care pătrund în sistem pot avaria pompele de balast și poate bloca toate liniile de balast. Următoare secțiuni este unitatea de tratare, în care sunt ucise toate microorgansimele care se găsesc în apă de mare și unde se previne transportul acestor mecanisme în următorul port. Există mai multe metode de tratare a apei de balast, cum ar fi: electrliza, clorinarea, etc. Acvaductul are rolul de a transporta apă de mare în tancurile de balast prin deschiderea valvelor de tip fluture corespunzătoare. Apoi apa de mare este pompată afară prin intermediul valvelor de descărcare peste bord, care sunt localizate mereu peste linia de plutire. Apa de mare care mai rămâne în tancuri și care nu poate fi inalturata cu pompele de evacuare este inalturata folosindu-se pompele de strip/spălare.

Figura 1.1. Sistemul convențional de balast

Sistemul ballast-free este dezvoltat de o echipă de cercetători, fiind amplasat în zonele de refulare prova și pupa a navei, astfel încât aceste flanșe sunt mereu pline. Figura 2 reprezintă schematic a acestui sistem de balast. Aspirațiile și refulările de la prova și de la pupasunt separate prin intermediul unor valve. Când nava este în staționare apa poate curge fie din gură de aspirație de prova, fie prin gură de la pupa, însă când nava se afla în mișcare nava va curge doare pe direcția prova – pupa. Valvele de izolare sunt instalate în fiecare compartiment de izolare. Debitul de aspirație are o valvă de comandă care este localizată la gura de aspirație din prova, iar valva de comandă pentru descărcarea apei peste bord este amplasată la gura de refulare din pupă. Principalele pompe de balast au rolul de a pompa apă de mare prin fiecare compartiment, prin intermediul flanșei de descărcare peste bord, în timp ce marfa este transferată către alte compartimente ale navei.

Figura 1.2. Sistemul de balast de tip ballast-free (Patent SUA #6,694,908 din 2004)

Termenul “hibrid” este folosit pentru a introduce un nou concept, în acest caz un sistem de tunele cu curgere liberă pentru apa de balast, introdus în spațiile destinate instaltiei de balast, folosindu-se elementele componente existente și echipamentele deja montate la bord. Totuși, pentru instalarea acestui tip de sistem poate implica și montarea unor echipamente suplimentare. Comanda acestui sistem de balast poate fi comună, prin intermediul unui sistem convențional, în care sistemul de comandă sincronizat poate fi aplicat pentru a putea satisface nevoile ambelor instalații, iar acest sistem de comandă trebuie să asigure cantități de apă, atât pentru tunelele instalației de balast, cât și pentru tancurile din cadrul sistemului clasic de balast în conformitate cu condițiile de încărcare ale navei în port, permițându-se valvelor corespunzătoare să se deschidă și să se închidă. În cazul sistemului convențional de balast există un apeduct, un tanc longitudinal dotat cu valve de comandă care separa aceste tancuri și care este montat în puntea dublu fund, aproape de linia de centru, fie în bordul babord, fie în tribord. Scopul acestui apeduct este de a furniza apă de mare către tancurile convenționale de balast. Din cauza introducerii tunelurilor din cadrul sistemului ballast-free acest apeduct este demontat. Pentru a rezolva acesta problemă tunelurile montate vor fi folosite și că apeducte. Hibridizarea sistemului de balast poate fi prezentată în figură 1.3, în care componentele comune dintre aceste două tipuri de sisteme sunt prezentate prin săgeți bidirecționale.

Figura 1.3 Hibridizarea sistemului de balast

1.4. CONCEPTUL PROPUS

1.4.1. Sistemul de tip ballast-free

Acest sistem implementează concenptul de nava fără instalație clasică de balast în cadrul sistemului de balast deja existent de la bordul navei de tip LNG. Astfel la bordul navei se montează două tuneluri longitudinal structurale la bordul navei, pe fiecare parte a navei, la linia de centru a navei, în cadrul punții dublu fund, care se întin pe toată lungimea navei, de la prova la pupa. Înălțimea acestor tuneluri este egală cu înălțimea punții dublu fund. Aceste tuneluri vor înlocui o parte din tancurile de balast convenționale din puntea dublu fund, pentru a permite o curgere continua de apă de mare prin ele. Tunelurile exterioare sunt separate de coferdamul navei, iar valvele sunt înlocuite și sunt montate valve noi pe fiecare tunel de separare. Flanșele de aspirație sunt montate pe fiecare tunel, la capetele acestora. Aceste flanșe de aspirație sunt montate la ambele capete ale tunelurilor. În tunel suplimentar este montat în fiecare bord al navei, sub linia sa de plutire, pentru a conferi un plus de volum instalației de tip ballast-free. Partea laterală tunelului are înălțime calculate astfel încât să aibe înălțimea mai mică decât pescajul balast în orice moment. Aceste tunele se intend de la prova la pupa, la fel ca și celelalte două tunele. În ambele capete ale tunelelor se găsesc chesoane cu valve, pentru aspirația apei de mare. Flanșele de refulare și de aspirație pentru tunelele laterale sunt dotate cu grătare demontabile.

În cadrul conceptului de instalație de tip ballast-free, tunele exterioare din puntea dublu fund nu îndeplinesc doar rolul de a permite apei să curgă liber, ele servind și că sursa de umplere pentru tancurile convenționale de apă de balast, pentru a înlocui funcția apeductului din cadrul unui sistem de balast convențional. Apa de mare este pompată folosindu-se pompe convenționale de balast, prin deschiderea unor valvule montate pe pereții tunelelor, care separa tunelele între ele, cât și tancurile convenționale de balast de puntea dublului fund. Odată ce balastarea tancurilor convenționale a fost efectuată complet, valvele vor fi închise, iar apeductele vor deveni funcționare, că tunele de tip balast free. Pentru a goli tunelele de apă toate valvulele de pe aspirație sunt închise, iar pompele convenționale de balast vor începe să pompe apa de mare afară din sistem. Apa din tunele este împinsă în afară bordajului prin intermediul flanșelor de descărcare. Pompele de spălare vor inaltura și apa de mare care mai rămâne în compartimente, după refulare. Pentru tunelele laterale procesul de descărcare a apei de mare este similar ca și procesul de golire tunelului din puntea dublu fund, excepție făcând faptul că valvele din podeaua tunelelor sunt deschise pentru a permite curgerea apei de mare către tancul din dublul fund ca să poată să fie pompată de la bordul apei și din tancul de balast din puntea dublului fund. Figura 4, de mai jos, prezintă configurația tridimensională a tncurilor de balast, a tunelelor din cadrul sistemulul ballast-free, valvelor și a liniilor din cadrul sistemului.

Figura 1.4. Reprezentarea tancurilor de marfă și a tancurilor de balast

Modul de funcționare a acestui proiect constă în optimizarea spațiilor disponibile înainte de derula simularea CFD a tunelelor. Configurațiile tancurilor și a tunelelor sunt proiectate folosind soft-ul Hydromax, iar rezultatele sunt generate în mod automat. Lățimea tunelelor din puntea dublul fund este de 3,07 metri, iar fiecare tunel are aceeași dimesiune. Lungimea totală a acestor tuneluri este de 12,28 metri. Separarea dintre tunelul exterior și tancul de balast convențional este localizat la o distant de 6,41 metri de linia centrală a navei. Înălțimea tunelului din puntea dublu fund este de 2,64 metri, valoarea care este egală cu înălțimea punții dublu fund a navei. Măsurătoarea se face măsurând distanța dintre partea interioară inferioară a tunelului și cea superioară exterioară. Volumul total al tunelului din puntea dublu fund, de sub tancul de marfă Nr. 5 este de 927672 metri cubi, transformat în tone, rezultă că poate susține 249936 tone de apă de mare. Tunele laterale sunt localizate la o distanță de 2,64 metri de chilă externă, având o înălțime de 6,09 metri și o lățime de 6,7 metri. Înălțimea tunelului lateral este luată în considerație atunci când se analizează asieta navei, astfel încât sorburile de apă sărată să rămână mereu deschise. Aceste tunele au un volum de 5428,25 m3, putând susține 5565,042 tone de apă, ocupând tot tunelul de la prova la pupa. Figura 5 prezintă dimensiunile tunelului în dreptul tancului de marfă Nr. 5, iar tabelul 1, de mai sus, sumarizează detaliile tehnice pentru sistemul de tunele. Particularitățile sistemului de tunele sunt obținute folosindu-se softwear-ul Hydromax.

Figura 1.5 Dimensionarea secțiunilor transversale ale tunelelor în dreptul tancului de marfă Nr. 5

Tabelul 1.1 Cpacitatile tunelelor din cadrul sistemului ballast-free

Când sistemul de tuneluri și cel convențional sunt pregătite, performanta navei de a obține un pescaj și o asietă corespunzătoare, este analizată folosind programul Hydromax. Există două cazuri care se iau în considerare, primul, în care nava nu transportă marfa consumabilă, așa cum este prezentat în figură 6, în timp în cel de-al doilea caz 50% din marfa consumabilă este amplasată la bordul navei, așa cum este prezentat în figură 7. Linia solidă din carul figurii de mai jos reprezintă procesul de balastare, în timp ce linia punctată reprezintă un process de debalastare. În primul caz tancurile și tunelele sunt unmplute cu apă de mare în mod secvențial. Asumându-se faptul că nava este în condiție de lightship (încărcate la capacitate minimă), pescajul are valoarea T = 3,984 metri și t = 4,368 metri inițial, tancurile din peakul pupa și tancurile din bordure sunt și ele umplute și se schimbă pescajul până ajunge la valoarea de 4,607 metri, respective 8,068 metri în punctul A. în punctul B tunelele puntea dublului fund sunt inundate cu apă de mare, iar pescajul ajunge la valoarea 5,069 metri, iar asieta la pupa are 6,904 metri. În punctul C pescajul are valoarea de 5,65 metri, iar asieta este 6,113 metri, după ce sunt inundate și tunelele laterale. Graficul are tendința să ajungă în punctul D, atunci când tancurile din dublul fund, care nu sunt acoperite sunt și ele inundate. Pescajul și asieta în acest punct au valoarea 6,709 metri, respective 4,913 metri. Mai departe tancul lateral și tancul de pe dublul fund, iar pescajul atinge valoarea 6,779 metri, iar pescajul 4,381 metri în punctul E. pescajul înregistrează variații mari, la fel și asieta, care ating valori de 8,129 metri, respectiv 2,207 metri între punctele E și F, ment care marchează umplerea tancurilor laterale de balast. Coferdamul influențează și pescajul, pe care îl ridică la valoarea 9,293, iar asieta în acest punct atinge valoarea 0,200 metri. După ce se umple tancul de sus, pescajul se ridică la valoarea 9,766 metri, iar asieta atinge valoarea 0,678 metri, valoarea aceasta fiind atinsă în partea din prova a navei. Într-un final forepeak-ul este umplut și el, iar pescajul navei atinge valoarea de 9,99 metri, iar asieta provei ajunge la 2,656 metri.

Procesul de debalastare este început în momentul în care se consdiera că navă și-a atins capacitatea maximă de apă de balast. Procesul de eliminare a apei de balast de la bordul navei începe cu golirea compartimentului aftpeak, în tribord și în babord. În această etapă pescajul și asieta au valorile 9,608 metri, respective – 5,881 metri (fiind asieta la prova). Mai departe apa de mare din tunelele din puntea dublului fund este pompată afară de la bordul navei, reducând pescajul la valoarea de 9,105 metri, iar asieta are valoarea de 4,941 metri. Apoi se golesc tancurile de pe puntea dublu fund. Pescajul devine 7,443, iar asieta este -3,302 metri. Se înregistrează mici modificări în valorile asietei și a pescajului atunci când tancurile laterale de pe dublul fund sunt golite, acestea având valorile 7,359 metri, respectiv 2,714 metri, în zona din prova. Tancurile laterale de balast sunt golite în următoare etapă, iar pescajul devine 5,959 metri, iar asieta este – 0,619 metri, la pupa navei. Când se golește și coferdamele, pescajul ajunge la 4,713 metri, în timp ce asieta se modifica la 1,182 metri. Când se golesc și tancurile din partea de sus, pescajul se modifica la 4,199 metri, iar asieta ajunge la 1,999 metri. Ultimul tanc care se golește este forepeak-ul. Pescajul scade foarte puțin, atingând valoarea 3,984 metri, iar asieta se stabilizează la 4,368 metri, care reprezintă valoarea de lighsehip. Aceleași secvențe se aplică atunci când nava este încărcată la o capacitate de 50% cu marfa consumabilă. Poligonul de mișcare se mută pe partea pozitivă a asietei, însă forma sa rămâne aceeași, datorită mărfii aflate la bordul navei. Graficele prezintă faptul că capacitatea sistemului balast free este suficient pentru a atinge pescajul și asieta dorită pentru nava aflată în discuție.

Figura 1.6. Capabilitatea de pescaj și asieta pentru sistemul hibrid de tip balast-free fără marfă consumabilă încărcată la bordul navei

Figura 1.7 Capabilitatea de pescaj și asieta pentru sistemul hibrid de tip balast-free cu marfa consumabilă încărcată la bordul navei (la o capacitate de 50%)

Există două tunele structurale localizate pe fiecare parte a punții dublu fund a navei, iar un tunel structural este localizat în aripa navei, tancurile de balast ale navei. Volumul total disponibil de apă de balast pentru sistemul convențional este de 57,839 m3, iar volumul de apă de balast la tancurile din părțile laterale, din punta dublu fund este de 36,631 m3. Întregul volum de apă al întregului sistem de balast cu tunele este de 10,370 m3. Sistemul de balast cu tunele sub dublul fund are o capacitate 4,941 m3. Dacă se ia în considerare chiar și o mică modificare la structura navei, volumul sistemului de balast-free trebuie să fie mai mic sau egal cu volumul tunelelor și volumul tancurilor convenționale de balast, iar volumul tunelelor și tancurilor din puntea dublul fund trebuie să fie mai mic sau egal cu volumul total de balast din zona dublului fund al navei. Aceste valori indică faptul că sistemul balast-free se potrivește în spațiile libere de la bordul navei, fără a fi necesară modificarea structurii sau dimensiunilor navei. Mărimea efectivă a tunelelor poate fi determinată dup ace se efectuează analiza CFD maximizata pentru a optimiza cantitatea și debitul de apă ce poate intra în tunele.

Estimarea pescajului și asietei pentru navă dotată cu sistem ballast-free a fost efectuat pentru două condiții diferite de încărcare, cu 0 încărcare de marfă și balast plin, apoi nava încărcată cu 50% marfa consumabilă. Pescajul și asieta navei care folosește sistemul balast free au valori suficiente pentru a respecta condițiile impuse de reglementări, care trebuie să fie de 2 metri plus 0,02L, pentru pescajul analizat la cuplul maestro al navei, iar asieta la pupa trebuie să aibe o valoare egală cu 0,015L. Rezultatele îndeplinesc și condițiile de încărcare a navei de tip LNG, având valorile de 9,755 metri pentru pescaj și 2,52 metri asieta la pupa, fiind în concordant cu valorile în condiții normale de încărcare cu balast pentru nava aflată în discuție. Capacitatea navei de a atinge valorile optime pentru pescaj și asieta poate fi vizualizata și folosind poligonul de echilibru care variază în funcție de cantitatea de lichid din tancurile de balast și de cantitatea de apă din sistemul de tunele. Nava poate atinge valoarea maximă a pescajului, de 10,436 în condiții de încărcare de 50%, cu marfa consumabilă și în condiții normale de balastare. Nava atinge valoarea admisibilă a asietei, care este egală cu 3,5 metri. În condiții de încărcare cu 0 marfa, dar cantitate maximă de balast, nava poate atinge o valoarea de doar 9,999 metri, valoare care permite scufundarea totală a elicii. Mai mult decât atât asieta navei este mai mult decât de ajuns pentru a atinge o valoare a asietei care se afla în intervalul normal de valori.

1.5. CONCLUZII

Sistemul de baza de balast de tipul ballast-free care a fost propus reprezintă o soluție promtitatoare în chestiunea legată de depășirea transportului de microorganisme, prin permiterea apei de mare să curgă prin zonă de sub dublul fund al navei, pe sub linia de pescaj a navei. Totuși, a fost indicat faptul că sunt niște chestiuni foarte importante ce trebuie să fie analizate înainte de a fi pusă în practică, cum ar fi: reducerea capacității de încărcare cu marfa a navei, din cauza măririi înălțimii punții dublu fund și mărirea adâncimii navei pentru a putea compensa pierderea din capacitatea de încărcare. Sistemul hibrid de tip ballast-free propus ar trebui să îmbunătățească capacitățile unei nave fără instalație de balast convențională. Punctul forte al sistemului de tip ballast free constă în faptul că se potrivește la fix în spațiul disponibil de la bordul navei, împreună cu o parte din sistemul convențional de balast, fără a fi necesar să se facă modificări majore și adecvate pentru a asigura pescajul asieta navei. În plus, hibridizarea poate fi considerată fiabila deoarce împarte caracteristici comune din punct de vedere al echipamentelor, cum ar fi pompele principale de balast, pompele de spălare, refularea de la bordul navei și apeductul. Echipamentele suplimentare ce le poate necesita reprezintă doar valvule tipice pentru tunele.

CAPITOLUL 2

DESCRIEREA GENERALĂ A M/V SABRINA 1

2.1. DESCRIEREA GENERALĂ A NAVEI

Nava și echipamentul livrate de constructor – TSUNEISHI HEAVY INDUSTRIES (CEBU) – vor corespunde cu regulile și normele care sunt tipărite și valabile la data efectivă a contractului.

2.1.1. Clasa

Nava este un vrachier destinat transportului de diverse categorii de mărfuri și este construită sub supraveghere și în conformitate cu regulile AMERICAN BUREAU OF SHIPPING (ABS) pentru clasa:

+A1, Bulk Carrier, E, +AMS, HCS, SHR;

Convenția Internațională pentru liniile de încărcare, 1966, cu amendamentele din 1971 și 1975;

Convenția Internațională pentru măsurare tonaj, 1969;

Convenția Internațională pentru ocrotirea vieții umane pe mare, 1974, inclusiv Protocolul din 1978 și 1981;

Convenția și regulile pentru prevenirea coliziunii pe mare, 1972, inclusiv amendamentul din 1980;

Convenția Internațională pentru prevenirea poluării de la nave, 1973, TSPP 1978 și Protocolul 1981 (RNR);

Normele administrației și pazei coastei SUA pentru navele străine, 1981;

Convenția Internațională pentru telecomunicații, 1979;

Reguli pentru navigație pe Canalul de Suez, 1081;

Reguli pentru navigație pe Canalul Panama, 1977;

Convenția Conferinței Internaționale a muncii privind amenajările pentru echipaj la bordul navelor, Geneva, 1949;

Reguli pentru navigația pe Canalul Kiel.

Nava este de tip vrachier, pentru transportul mărfurilor în vrac.

Nava este destinată navigației în zonă cu climă temperată și tropicală, zona de navigație în aceste ape fiind nelimitată.

2.2. DIMENSIUNILE PRINCIPALE

Lungimea maximă 189,99 m

Lungimea între perpendiculare 182,00 m

Lățimea de calcul 32,26 m

Inălțimea de construcție 17,00 m

Pescaj de eșantionaj 12,02 m

Înălțimea maximă de la chilă 45,98 m

Înălțimea etajului de suprastructură de deasupra punții principale (inclusiv coferdam de 700 mm) 3,40 m

Înălțimea etajului de suprastructură de deasupra punții de navigație 2,50 m

Inălțimea celorlalte etaje ale suprastructurii 3,00 m

Curbura transversală a punții principale de tip trapezoidal 0,56 m

Deplasament Deadweight 2501tdw

2.3. PROPULSIA ȘI CENTRALA ELECTRICĂ

2.3.1. Motor principal

Propulsia navei va fi asigurată de un motor lent de tip MITSUI 6 S50-MC, executat sub licență MAN-B&W, reversibil, supraalimentat, cu 6 cilindri în linie (Fig. 2.1).

Figura 2.1. MP MITSUI 6 S50-MC, sub licență MAN-B&W

Puterea maximă continuă (MCR) este de 7800kW (10460CP) la 116 rot/min.

Acesta antrenează prin intermediul liniei de axe o elice de tip monolit cu 4 pale din Ni-Al-Bz, cu un diametru de 6000 mm, dimensiunea palei fiind 4176 mm.

2.3.2. Mașini electrice

Centrala electrică a navei este asigurată de trei motoare diesel de tip DAIHATSU 3DK-20, fiecare fiind cuplat direct cu câte un generator de 550kVA, 444 kW, 60Hz (Fig. 2.2) și un grup diesel generator de avarie de 118 KVA și un diesel generator de staționare de 70 KVA.

Figura. 2.2. Generator diesel DAIHATSU 3DK-20

Motorul principal și cele 3 diesel generatoare sunt integrate într-un sistem comun de alimentare combustibil (sistem “unifuel“).

2.3.3. Viteză, autonomie

Viteza maximă a navei cu corpul navei curat, în apă adâncă, liniștită, intensitatea vântului nu mai mare de 3ș pe scara Beaufort și valuri de gradul 2 Douglas, va fi de:

16,13 Nd la sarcina maxima 7800 kW și turație 116 rpm în balast;

14,5 Nd la o sarcină de 6630 kW și turație 110 rpm în balast;

13,8 Nd la o sarcină de 6630 kW și turație 110 rpm la plină încărcătură.

Rezervele de combustibil ale navei asigură o autonomie de aproximativ 18800 Mm, la o viteză medie de serviciu de 12 Nd, cu motorul principal funcționând la puterea continuă de serviciu, centrala electrică asigurând necesarul de energie electrică pentru operarea și manevra navei, iar boilerul auxiliar asigurând aburul necesar în condiții de exploatare de iarnă.

2.4. DESCRIEREA ELEMENTELOR REPREZENTATIVE – CORPUL NAVEI

Nava este un vrachier din oțel, cu o singură elice, de tip cu balast separat, prova cu bulb și pupa oglindă.

Figura 2.3. Corpul navei în doc

Prova navei este prelungită, cu bulb, si oferă calități nautice corespunzătoare navei, atât la navigația la plină încărcare, cât și la navigația în balast.

La prova față de peretele de coliziune sunt amplasate picul prova, diverse magazii și puțurile de lanț. Șase pereți transversali împart spațiul zonei marfă în cinci magazii de marfa și douazeci de tancuri laterale de balast din care zece tancuri laterale de balast superioare și zece tancuri de balast inferioare. Este prevăzut de asemenea dublu fund în zona magaziilor de marfă, în care sunt prevăzute trei tancuri de combustibil greu. În pupa zonei magaziilor de marfă sunt prevăzute: compartimentul mașini cu tancuri laterale de combustibil greu și motorină, tancuri de decantare și serviciu, tancuri pentru apă dulce, tancuri de ulei etc.

În pupa peretelui presetupă sunt amplasate picul pupa, compartimentul mașinii de cârmă, compartimentul agregate hidraulice, compartimentul pompă incendiu de avarie, precum și tancurile de apă dulce.

Suprastructura pentru amenajări este dispusă, de asemenea, la pupa navei.

Suprastructura este amenajata pentru un echipaj de 26 persoane (23 echipaj, 1 reprezentant armator, 1 pilot, 1 spital).

Sahtul mașinii este separat de suprastructura destinată amenajărilor pentru echipaj.

Sunt prevăzute, de asemenea, un catarg combinat pentru lumini de semnalizare și pentru antene radar pe puntea etalon și un catarg pentru lumini de semnalizare prova, pe puntea semiteugă.

Nava este cu o singură punte, dublu fund pe toată lungimea navei, cu teugă prelungită. Suprastructura și compartimentul de mașini sunt amplasate în pupa.

Puntea este dreaptă în plan diametral (fără curbură longitudinală) și are curbură transversală sub formă trapezoidală, cu săgeata de 560 mm. Zona cilindrică a navei este mult extinsă spre extremități.

Etrava este evazată, iar pupa este de tip oglindă plană. Pupa este prevăzută cu bulb în zona arborelui port-elice, ceea ce asigură o rezistență la înaintare mai mică, prin asigurarea unei scurgeri mai bune în zona elicei și asigură reducerea zgomotelor și vibrațiilor induse în elice.

2.5. ZONA DE MARFĂ

Este împărțită pe lungimea navei în 5 magazii de marfă.

Magaziile de marfă au osatura în interior în zona bordajului, respectiv pe exterior în zona tancurile de balast, asigurând astfel o spălare a magaziilor de marfă cu o eficacitate ridicată.

Fiecare magazie de marfă este prevăzută cu santine pupa tribord și pupa babord.

Instalația de încărcare-descărcare marfă este organizată cu ajutorul a 4 cranice Mitsubshi acționate electro-hidraulic, fiecare având o sacină utilă de 30 t, cu raza maximă de 26 m la 25° și 9,87 m în afara bordului și o înălțime maximă de ridicare 37 m la 81° și o rază minimă de 4,5 m.

Capacitatea magaziilor de mărfă este:

pentru încărcare vrac – 67.756,3 m3

magazia nr.1 – 12663,8 m3

magazia nr.2 – 14635,8 m3

magazia nr.3 – 13471,1 m3

magazia nr.4 – 14532,1 m3

magazia nr.5 – 12453,5 m3

pentru încărcare grupată – 65600,5 m3

magazia nr.1 – 12418,6 m3

magazia nr.2 – 14204,8 m3

magazia nr.3 – 13043,9 m3

magazia nr.4 – 13940,5 m3

magazia nr.5 – 11992,7 m3.

Pentru instalația de balast a navei sunt prevăzute 2 pompe centrifugale (fig. 2,4) , câte una în fiecare bord, având capacitatea de 700 m3/h fiecare și un ejector pentru stripping.

Figura 2.4. Pompă centrifugală EMD-300C

Pompele de tip centrifugal sunt acționate de un electromotor cu putere de 65 kW la 1760 rot/min.

Nava este prevăzută cu un sistem hidraulic de presiune înaltă, pentru acționarea capacelor gurilor de magazie, pentru instalația de ancorare, cât și pentru agregatele instalațiilor de manevră la acostare (vinciuri de ancorare, vinciuri de manevră). Pompele grupului hidraulic de acționare sunt antrenate de două motoare electrice.

2.5.1 Deadweight

Deadweight-ul în apă de mare (CS = 1,025 t/m³ ) va fi de aproximativ 52500 tdw la pescajul de eșantionaj de 12,02 m (marfă și nava cu 100% rezerve).

Deadweight-ul este verificat imediat înainte de livrarea primei nave din serie, scăzând din deplasament, deplasamentul navei goală, adică:

nava goală;

inventar;

piesele de rezervă în concordanță cu societatea de clasificare și alte autorități contractuale;

combustibil, ulei de ungere, apă dulce și apă de alimentare în mașini și în sistemul de tubulaturi;

apă de peste bord în sistemele de tubulaturi de răcire .

Deadweight-ul include astfel:

marfă și apă de balast;

combustibilul, uleiul de ungere, apă dulce și apa de alimentare din tancuri;

piesele de rezervă suplimentare față de cerințele societății de clasificare și alte autorități contractuale;

echipaj și pasageri, bagajele și lucrurile lor personale;

provizii și materiale de toate categoriile aflate la bord.

Deadweight-ul stipulat în contract va fi corectat corespunzător greutății implicate de :

utilaje auxiliare și modificări agregate după contractare (exceptând piesele de rezervă suplimentare față de cerințele societății de clasificare și a altor organizații contractuale)

modificări cerute de societatea de clasificare și alte societăți, suplimentar față de cerințele pe care contractul este bazat.

2.6. INSTALAȚIA DE GUVERNARE

Instalația de guvernare este destinată să asigure stabilitatea de drum a navei într-o anumită direcție, precum și orice fel de manevră a navei, atât la marș înainte, cât și la marș înapoi. Instalația de guvernare este compusă din: cârmă mașina de cârmă actionata hidraulic (cu motor hidraulic de tip rotativ), grupul electro-hidraulic de acționare mașina de cârmă, arborele de cârmă, lagăre și pivotul cârmei.

Figura 2.5. Grup electro-hidraulic mașină cârmă

2.7. INSTALAȚIA DE ANCORARE

Nava este dotată cu instalație de ancorare amplasată la extremitatea prova și este formată din: două vinciuri combinate (de ancoră și manevră parâme – fig. 2.6), acționate hidraulic; două ancore Hall (6225 kg fiecare), două lanțuri cu diametrul zalei de 70 mm cu stope și declanșatoare; două nări de lanț din table fasonate; două capace de furtună.

Figura 2.6. Ancoră de rezervă si vinci hidraulic

2.8. INSTALAȚIA DE SALVARE

Instalația de salvare se compune din: două bărci de salvare din material plastic armat cu fibră de sticlă, cu motor Diesel, cu lansare cu gruie gravitaționale, amplasate în ambele borduri ale navei și plute de salvare amplasate pe puntea bărci Bb-Tb, puntea de navigație, respectiv pe puntea principală. De asemenea, nava este dotată cu un număr de colaci de salvare în conformitate cu regulamentele internaționale de salvare și siguranță a vieții pe mare. Recuperarea bărcilor se realizează cu ajutorul unui sistem acționat electric.

2.9. ECHIPAMENTE ȘI INSTALAȚII AUXILIARE CE DESERVESC MOTORUL PRINCIPAL ȘI CENTRALA ELECTRICĂ.

Caldarina recuperatoare este amplasată în coșul de fum, pe tubulatura de evacuare gaze arse a motorului principal și are ca rol generarea de abur saturat 7 bar prin reutilizarea energiei termice/căldurii ridicate a gazelor de ardere la ieșirea din motorul principal. Aburul produs este utilizat pentru încălzirea tancurilor de combustibil greu, a tancurilor din zona compartiment mașini, a echipamentelor, sistemelor de tubulaturi și a spațiilor de locuit din suprastructură.

Figura. 2.7 Caldarină auxiliara Osaka OVS1

2.10. SISTEME DE ALIMENTARE CU COMBUSTIBIL

Instalația de ambarcare și transfer combustibil are drept scop ambarcarea combustibilului în tancurile de rezervă și transferarea lui în tancurile de decantare.

Ambarcarea combustibilului se va realiza prin prize de punte, în ambele borduri în zona manifold pupa. Instalația este formată din două rețele de tubulaturi, una pentru combustibil greu și una pentru motorină.

Figura 2.8. Manifold tribord

Fiecare rețea este deservită de câte o electropompă cu roti dințate.

a) b)

Figura. 2.9.

a) Pompe de transfer combustibil

b) Tubulaturi și armături instalație ambarcare combustibil

Pentru umplerea continuă a tancului de decantare combustibil greu s-a prevăzut în instalație o electropompă cu șurub, având caracteristici reduse față de pompele de transfer.

Două separatoare de combustibil greu asigură pregătirea, prepararea combustibilului prin separare centrifugală. Combustibilul este alimentat în separatoare din tancurile de decantare, este separat de impurități, apă si reziduuri prin centrifugare și apoi combustibilul curat-separat este transmis în tancurile de serviciu, pentru alimentarea către motoare.

Figura 2.10. Separatoare combustibil și ulei

Combustibilul din tancurile de serviciu este preluat de o stație de preparare-alimentare ce asigură o calitate corespunzătoare bunei funcționări a motoarelor și se compune din: pompe de alimentare (de presiune joasă), filtru automat care asigură o filtrare fină, debitmetru, tanc de amestec, pompe de circulație combustibil (cu debit mare și presiune ridicată), preîncălzitoare de combustibil și vâscozimetru. Pompele utilizate sunt de tip cu șurub. Vâscozitatea combustibilului la intrare în motor este controlată cu ajutorul vâscozimetrului care reglează debitul de abur de alimentare a preîncălzitoarelor finale. Returul de la pompele de injecție ale motorului principal va fi dirijat spre recipientul de amestec. Măsurarea și contorizarea consumului de combustibil se face cu ajutorul debitmetrului, amplasat în amonte de recipientul de amestec.

2.11. SISTEME DE UNGERE

Ambarcarea uleiului se efectuează cu ajutorul pompei de ambarcare-transfer (pompă cu debitul de 2,4 m3/h, la o presiune de 8 bar) amplasată la puntea dunetă. Pompa aspiră uleiul din butoaie și îl refulează la priza de ambarcare. Priza de ambarcare este prevăzută cu flanșă internațională pentru situația ambarcării uleiului cu mijloacele malului.

Pompele de ungere MP (două pompe cu șurub) sunt de tip imersat, aspiră din tancul de circulație, amplasat sub carter, in structura de dublu fund a CM-ului, printr-un filtru magnetic simplex și refulează uleiul prin răcitoarele de ulei, valvula termoregulatoare, filtru fin automat, filtru indicator la motor.

Motorul are un sistem separat de ungere pentru cilindrii.

Diesel-generatoarele sunt de tip cu carter umed si nu sunt prevăzute cu circuite exterioare de ungere.

Un separator de ulei MP și un separator de ulei DG-uri asigură întreținerea, menținerea calităților lubrifiante și curățarea uleiului de ungere a motorului principal, respectiv a motoarelor diesel-generatoarelor pe durata funcționării acestora.

2.12. SISTEME DE RĂCIRE

Nava este prevazută cu un sistem centralizat de răcire cu apă dulce, de joasă temperatură, care asigură răcirea următoarelor echipamente:

motorul principal (răcitor de baleiaj, răcitor de ulei ungere, răcitoare cilindrii etc);

diesel-generatoare (răcitor de baleiaj, răcitor de ulei ungere, răcitoare cilindrii etc);

lagăr intermediar linie axială;

agregate de frig alimente;

agregate de condiționare aer în suprastructură;

Instalația este de tip în circuit închis și se compune din: două pompe centrifugale, două schimbătoare de căldură/răcitoare de tip cu placi, valvulă automată de reglare temperatură, rezervor pentru compensă a instalației și expansiune lichid de răcire. Mediul de răcire este apa de mare din sistemul de răcire cu apă de mare al navei. Valvula automată de reglare temperatură asigură menținerea unei temperaturi constante de alimentare la echipamente prin by-pasarea totală sau parțială, sau trecerea fluidului prin răcitoare.

Motorul principal este prevăzut cu un sistem independent de răcire cilindrii sau circuit de răcire pentru temperaturi înalte, compus din două pompe centrifugale, două răcitoare cu plăci, valvulă termoregulatoare. Rezervorul compensă și expansiune este comun cu cel al sistemului descris anterior. Răcirea acestui sistem se realizează cu apă din sistemul centralizat de răcire cu apă dulce.

Sistemul de răcire cu apă de mare este cel care preia excesul de căldură din sistemele de răcire menționate mai sus. Acest sistem este de tip în circuit deschis – apa de mare este adusă din exteriorul navei, trecută prin răcitoarele centrale unde preia aportul de caldură și apoi este evacuată peste bord.

Figura. 2.11. Pompe centrifugale instalație apă de mare

Elementele componente ale acestui sistem sunt:

chesoanele – cele care asigură comunicarea cu exteriorul navei/deschiderea în bordaj; chesoanele sunt prevăzute la deschiderile din bordaj cu niște filtre grosiere-grătare; de asemenea, chesoanele sunt prevăzute cu trasee de aerisire, suflare cu aer comprimat pentru curățare grătare, suflare cu abur pentru încălzire (la navigația pe timp de iarnă), pentru fiecare traseu fiind montate valvule de izolare pe cheson;

valvula de tip fluture – cea care realizează izolarea chesoanelor în raport cu tubulatura de aspirație apă de mare;

magistrala de apă de mare – conducta care asigură interconectarea celor două chesoane, astfel realizând alimentarea cu apă de mare din două locații diferite; din considerente de debite necesare și spațiu în santina compartimentului mașină, s-a adoptat soluția magistrala de apă de mare structurală – cheson etanș integrat în dublul fund al navei în zona compartimentului mașini;

pompe de răcire cu apă de mare – de tip centrifugal;

valvule de izolare;

răcitoare cu placi – răcitoare centrale comune cu cele ale instalației de răcire centralizată, menționate mai sus;

valvulă de bordaj, pentru refularea apei de mare peste bord.

Separatorul de santină este de tip USH-03, produs de Taiko Kikai Industries Co.Ltd. (fig. 2.12).

Figura 2.12. Separator de santină USH-03

Valvulele de izolare de obicei sunt de tip fluture, având avantajul unei rezistențe mici la traversarea fluidului și dimensiuni compacte pentru instalații cu trasee de tubulaturi având dimensiuni mari.

a) b)

Figura 2.13. a) Valvulă fluture acționată manual

b) Valvulă fluture acționată hidraulic

Sistemele de ungere, răcire cu apă de mare și apă dulce sunt cele care mențin funcționarea motoarelor la parametri normali pe durate lungi de funcționare.

2.13. INSTALAȚIA DE VENTILAȚIE A COMPARTIMENTULUI MAȘINI

Instalația de ventilație CM asigură ventilația în compartimentul mașini (sub platformele compartimentului, sub puntea principală, în șaht), asigurând aerul necesar funcționării motorului principal, diesel-generatoarelor și caldarinei auxiliare, precum și evacuarea cantităților de căldură generate în timpul funcționării normale a echipamentelor, respectiv generate de suprafețele incintelor încălzite (de ex.tancuri de combustibil greu etc).

Pentru introducerea aerului proaspăt se folosesc trei ventilatoare, având debitul Q – 40000 m3/h – 450 Pa, amplasate două în bordul tribord și unul în bordul babord, spre partea prova a coșului de fum. Restul de aer viciat cald este evacuat forțat prin spira și prin gurile de evacuare montate la partea superioară a coșului, pe peretele pupa.

CAPITOLUL 3

PREZENTARE GENERALĂ A INSTALAȚIILOR DE BALAST

3.1. CONSIDERENTE GENERALE

Prin natura comerțului în care sunt angajate, vrachierele efectuează în majoritatea cazurilor voiajul de ducere sau de întoarcere în balast.

Balastarea navei se face prin pomparea apei de mare sau de fluviu în tancurile de balast, sau la unele vrachiere (în anumite condiții) și în magaziile de marfă.

În general, prin balastare se urmărește realizarea unei stări bune de navigabilitate a navei și calități optime de manevrare. În funcție de tonajul navei depinde cantitatea de balast luată la bord, de starea și condițiile hidrometeorologice, putând ajunge și la jumătate din capacitatea de încărcare, din această cauză trebuind să i se acorde o atenție deosebită. De cele mai multe ori cantitatea de balast care asigură anumite pescaje la sosirea în terminal, este impusă de condițiile pe care le oferă acesta.

Instalația de balast se folosește pentru corectarea pozitiei centrului de greutate al navei prin ambarcarea, transferarea și evacuarea peste bord a balastului lichid.

Pentru a realiza siguranța și stabilitatea corespunzătoare a navei, în general, sunt amenajate ca tancuri de balast spațiile de sub puntea principală și de gurnă, spații cât mai mari din pupa peretelui de coliziune prova și prova peretelui de coliziune pupa. Tancurile de balast sunt unite prin conducte prin care apa se deplasează antrenată de către pompele de balast.

Cantitatea necesară de balast lichid variază funcție de tipul navei:

Balast = ( 0.2 ….. 0.3 ) x Deplasamentul – pentru navele de mărfuri generale;

Balast = ( 0.3 ….. 0.5 ) x Deplasamentul – pentru petroliere.

Avâd în vedere mediul vehiculat (apa de mare), amplasarea traseelor și caracteristici de funcționare relativ apropiate, pompe aparținând unor diferite sisteme pot asigura funcții apropiate în anumite condiții, astfel că anumite echipamente, pompe, porțiuni de trasee de tubulatură pot fi comune pentru instalațiile de balast, instalațiile de santină, incendiu cu apă. Se poate obține astfel utilizarea unui număr mai mic de pompe, trasee de tubulaturi de lungime mai redusă, deci se reduc masa și volumul instalației, totodată asigurând o utilizare rațională și economică a echipamentelor din compartimentul de mașini. În acest caz, legătura între diferitele sisteme trebuie realizată astfel încât să fie posibilă funcționarea normală și în siguranță a fiecărui sistem în parte, să fie eliminată orice posibilitate de inundare accidentală a spațiilor de la bordul navei.

Datorită faptului că apa circulă în ambele sensuri pe tubulatura instalației de balast, sorburile nu au filtre și armăturile lor de închidere nu sunt cu reținere.

Nu este permisă utilizarea instalației de balast, striping ca soluție alternativă pentru santina magaziilor sau a compartimentelor. În cazul interconectării acestor sisteme este necesară izolarea magistralelor prin armături de închidere cu reținere, astfel încât să elimine posibilitatea intercomunicării.

3.2. CERINȚE GENERALE IMPUSE INSTALAȚIEI DE BALAST

Să asigure corectarea poziției centrului de greutate al navei conform necesităților impuse de stabilitatea navei în timp util și implicit asigurarea unei bune stări de navigabilitate pe toată durata voiajului. Deplasamentul rezultat prin balastare trebuie să permită o navigație chiar pe vremea cea mai nefavorabilă, oferindu-i condiții de comportare foarte bună pe mare. Pescajul navei la pupa trebuie să asigure o bună imersiune a elicei. Repartiția balastului și a celorlalte greutăți la bordul navei trebuie să creeze condiții optime pentru o bună rezistență longitudinală și evitarea aparițiilor trepidațiilor sau reducerea lor la maximum;

Să dreneze sau să umple complet tancurile, atât pentru nava cu asietă dreaptă, cât și pentru înclinări îndelungate transversale de max. 15ș și longitudinală de max. 5ș;

Să funcționeze astfel încât să fie exclusă posibilitatea inundării arbitrare a navei;

Să nu polueze acvatoriile cu apă amestecată cu reziduuri petroliere sau cu alte produse prevăzute în MARPOL și să corespundă cerințelor impuse de registrele de clasificare la construcția navelor și echipamentelor lor;

Să dispună de mijloace de acționare locală și de la distanță a pompelor, de aparate de măsurare a cantității de apă în locurile de colectare;

Să fie confecționate din materiale rezistente la acțiunea apei de mare;

Să aibă cât mai puține armături de manevră și fittinguri demontabile;

Este interzisă traversarea magaziilor de marfă de către instalația de balast.

3.3. OPERAȚIUNILE DE BALASTARE-DEBALASTARE ȘI STABILITATEA NAVEI

Vorbind la modul cel mai general despre operațiunile de balastare, respectiv debalastare, acestea au scopul deja declarat de a deplasa centrul de greutate al navei, aducând nava la asieta dorită, în urma unor operațiuni specifice (ambarcarea, deplasarea sau debarcarea balastului constituit din apa de mare), efectuate cu ajutorul unor pompe de balast (uneori de santină) ce deplasează apa între tancurile de balast. Este bine cunoscut faptul că, în urma descărcării navei, înălțimea metacentrică se reduce și, deci, stabilitatea se înrăutățește.

Pentru a asigura o stabilitate suficientă în condițiile reale de navigație, în tancurile de balast se ambarcă apa de mare de greutate B, care se adaugă deplasamentului navei goale, Δg. În diagrama de carene drepte, corespunzator valorii deplasamentului navei balastate Δ1 = Δg + B

se obține pescajul navei balastate T1 = T + δT.

Intersecția dreptei T1= ct, cu curba Zc (T) conduce la obținerea cotei centrului de carenă Zc1, iar la intersecția cu curba r(T) se obține noua rază metacentrică r1. Cota centrului de greutate după balastare, ZG1 este:

ZG1 = ( ΔgZG + BZB )/Δ1 (3.1)

ZB fiind cota centrului de greutate al apei de balast. După ambarcarea apei de balast, înălțimea metacentrică h1 crește la valoarea:

h1 = r 1 + ZC1 – ( Δg . ZG + B. ZB ) / Δ1 (3.2)

Figura 3.1. Diagrama de carene drepte

Pentru ca această creștere să fie maximă, cota ZB trebuie să fie minimă, deci tancurile de balastare transversală, trebuie așezate de cele mai multe ori sub puntea dublului fund.

În cazul mineralierelor, datorită densității mărfii (ρ ≈ 4 t/m3), o dată cu încărcarea acesteia, centrul de greutate coboară mult, înalțimea metacentrică transversală și deci stabilitatea navei devin excesive, cu efect de disconfort asupra echipajului. Pentru ameliorarea stabilității navei sunt utilizate tancuri de balast sub puntea principală (cota ZB mare). Pentru corectarea poziției în plan a centrului de greutate al navei, se procedeaza la transferul balastului între tancuri.

3.4. COMPONENȚA INSTALAȚIEI DE BALAST – PE SCURT

tancurile de balast;

pompe de balast;

chesoane kingston de fund si bordaj – sunt chesoane structurale care asigură legătura instalației cu exteriorul navei;

valvule kingston – armături care asigură izolarea chesoanelor kingston;

tubulatura de balast;

filtre de apa de mare pentru protejarea pompelor;

sorburi;

armături de trecere – izolare;

valvule de refulare peste bord.

3.4.1. Tancurile de balast

Tancurile instalației sunt conectate la cele două pompe prin intermediul unei rețele de conducte, instalația realizând transportul apei de mare din exteriorul navei în tancuri, respectiv din tancurile navei către alte tancuri sau către exteriorul navei – instalația vehiculează lichidul in ambele sensuri prin intermediul tubulaturii.

Figura 3.2. Secțiune transversală prin corpul navei

Conform regulamentelor internaționale, compartimentarea navelor vrachier trebuie să asigure existența unor tancuri destinate numai balastului, numite tancuri de balast permanent sau separat. Pentru balast mai pot fi folosite și tancurile forpic si afterpic.

Volumul acestor tancuri se determină din condiția ca la orice variantă de balastare, inclusiv cazul navei goale, prin balastul separat să se obțină la mijlocul navei pescajul: t=2,0+0,02 l [m], asieta pozitivă de 0,015 l și imersionarea completă a elicei navei.

Pentru nave de tip vrachier de mărime medie sau mică structura și volumul determinat pentru tancurile de balast nu este întotdeauna suficient pentru asigurarea pescajul de siguranță a navei în orice condiții. De aceea, pentru completarea balastului până la cantitatea necesară, se utilizează suplimentar o magazie de marfă declarată corespunzatoare și denumită tanc de balast greu, aceasta putând fi folosită doar după curațare, spalare și degresare. Evacuarea peste bord a balastului greu se poate realiza în anumite condiții de navigație-viteza a navei; sistemul este de tip automat și cu înregistrarea în calculator a anumitor informații : zona de navigație, viteza de deplasare a navei, debitul instalației, debitul de refulare peste bord, concentrația de hidrocarbură în apa de balast deversată peste bord.

Protecția suprafețelor interioare ale tancurilor la acțiunea corozivă a apei de mare este realizată prin vopsire și amplasarea în interiorul tancurilor a plăcilor de zinc cu rol protector.

3.4.2. Pompele

Instalația este deservită de doua pompe, din motive de siguranță a navei.

Pompele de balast sunt prin excelență pompe de debite foarte mari și sarcini pe aspirație și refulare relativ scăzute (înălțimea maximă de aspirație nu depășește 5÷6 m), fapt pentru care sunt preferate in construcție pompele de tip centrifugal (fig. 3.3) sau axial, autoamorsabile, antrenate de motoare de turație corespunzătoare.

Figura 3.3. Pompă centrifugală

Motoarele de antrenare a pompelor sunt de obicei electrice, dar la navele petrolier, prin particularitățile referitoare la amplasarea lor și dimensiunile navelor, acționarea lor se mai poate realiza și cu abur (pompe antrenate de turbine cu abur) sau cu ulei hidraulic (pompe antrenate de motoare hidraulice).

Atât pompele cât și celelalte echipamente electrice, mecanice și hidraulice sunt navalizate în vederea asigurării rezistenței acestora la acțiunea puternic corozivă a aerului și apei mării, precum și la acțiunea stropilor de apă.

Rolul pompelor este acela de a asigura umplerea sau golirea tancurilor de balast în timpi cât mai reduși, în conformitate cu prevederile impuse de Societatea de Clasificare, regimurile de operare a navei (incarcare-descarcare).

3.4.3. Chesoanele kingston de fund și bordaj

Chesoanele kingston de fund si bordaj sunt prevăzute și cu grătare în deschiderile din bordaj – filtre mecanice grosiere, tubulaturi de suflare cu aer comprimat și/sau abur pentru curățare sau dezghețare. De obicei sunt realizate 2 chesoane kingston, unul cu deschiderile în bordaj pe fundul navei și altul cu deschiderile în bordaj mai sus decât cele menționate anterior.

a) b)

Figura 3.4 . a) Cheson priză de suprafață

b) Cheson priza de fund

Cele două chesoane sunt unite între ele printr-o tubulatură cu valvule de izolare montate direct pe cheson, denumite valvule kingston. În funcție de dimensiunile navei și respectiv ale instalației de balast, această magistrală de apă de mare poate fi realizată ca și compartiment etanș în structura de corp a navei.

3.4.4. Tubulatura-sorburi-armaturi de izolare

Țevile instalației de balast sunt de obicei din oțel, trase sau sudate. Tubulatura se protejează la acțiunea corozivă a apei de mare prin zincare la cald, sau zincare la cald și căptușire la interior cu polietilenă. Tubulatura se îmbină în flanșe sau manșoane. Tubulatura se sprijină de structura navei prin suporți realizați din profile laminate (de regulă cornier, mai pot fi profile tip T, sau U) sau construcții sudate și brățări de fixare tubulatură. De regulă, suporții se protejează anticoroziv prin zincare sau vopsire conform specificației de vopsire a tancurilor de balast, iar brățările se zinchează la cald.

Tubulatura instalației se amplasează în partea inferioară a corpului navei. Fiecare tanc este deservit de câte o valvulă și un sorb, amplasate de obicei în partea din pupa și spre planul diametral.

Amplasarea sorburilor trebuie aleasă astfel încât să existe o fluență-continuitate de curgere a apei de mare în casetele în care sunt amplasate acestea. Este necesar ca structura navei și decupările practicate în aceasta să asigure curgerea continuă la debitul necesar către sorburi. La partea superioară a tancurilor este necesar ca structura navei și decupările practicate în aceasta să asigure aerisirea corespunzătoare a spațiilor.

Pentru tancurile cu volum mare și instalații cu diametre mari de tubulatură, de regulă se folosesc sorburi sau chiar instalații de stripuire (golire la un nivel redus ș cu un debit redus) prin intermediul fie al unor pompe autoamorsabile sau sisteme speciale pentru asigurarea vacuumului necesar pentru aceste operații.

Sorburile utilizate nu au filtre.

O atentie deosebită se acordă dilatărilor și deplasărilor tubulaturii datorită variațiilor de temperatură, respectiv mișcărilor navei (nava fiind o grindă elastică rezemată pe un mediu elastic) la realizarea tronsoanele de tubulatură drepte cu lungimi mari. Acestea vor fi prevazute cu lire pentru compensarea dilatării sau armături speciale pentru compensare deplasări (compensatori de dilatație).

Având în vedere faptul că instalația vehiculează lichidul în ambele sensuri, armăturile folosite în cadrul instalației nu sunt de tip cu reținere. Valvulele utilizate în cadrul instalației sunt de obicei de tip fluture, asigurând o rezistență redusă la curgerea lichidului. Acționarea valvulelor se poate face local, manual sau de la distanță (prin acționare/transmisie mecanică, pneumatică sau hidraulică).

Armăturile utilizate pot fi din materiale rezistente la acțiunea apei de mare: bronz, oțel sau fontă.

3.5. FUNCȚIONAREA DE PRINCIPIU A INSTALAȚIEI DE BALAST

Pompele asigură vehicularea lichidului în sensul dorit/necesar pentru asigurarea condiției de stabilitate necesare:

Balastarea – transferul apei de mare din exterior în interiorul navei, în tancuri – acțiunea are loc atunci când marfa este descărcată de la bord, sau pentru corecții de pescaj, asietă, înclinare transversală datorită consumului anumitor lichide, greutăți la bordul navei (combustibil, ulei, apă dulce, provizii etc,) etc.

Balastarea se poate face:

gravitațional – se deschid armăturile de izolare corespunzătoare și liniile către tancuri, apa de mare traversează tubulatura fără ajutorul pompelor, datorită diferenței de presiune hidrostatică;

forțat – apa de mare este transmisă prin intermediul pompelor de la exterior către interior, în tancuri.

Apa de balastare preluată din mare prin prizele de fund și bordaj, dotate cu valvule Kingston destinate (de)cuplării magistralei de balast (de) la priză și împiedicării scurgerii apei din instalație în exterior, cu ajutorul pompelor de balast este stocată la bord în tancuri speciale denumite tancuri de balast.

Debalastarea – transferul apei de mare din interiorul navei, din tancuri, în exteriorul navei – acțiunea are loc atunci când marfa este ambarcată la bord, sau pentru corecții de pescaj, asietă, inclinare transversală datorită aprovizionării diverselor lichide la bordul navei (combustibil, ulei, apa dulce etc.), aprovizionării diverselor greutăți la bordul navei (provizii etc).

Debalastarea se realizeaza numai forțat, cu ajutorul pompelor de balast. La nave de tip mineralier, care au tancuri superioare de balast, debalastarea acestora se face gravitațional, individual.

La golirea tancurilor, apa este refulată de către pompe peste bord prin intermediul unor valvule de bordaj situate în zona liniei de pescaj maxim. Aceste valvule sunt in general de sens unic, împiedicând pătrunderea apei din exteriorul navei în instalație.

Instalația de balast a navei este deservită de 2 pompe amplasate în compartimentul mașini și deserveste tancurile inferioare de balast (tancurile de gurnă), tancurile superioare de balast (tancurile de wing) și tancurile din picul prova și picul pupa.

3.6. INSTALAȚIA DE BALAST DIN ZONA DE MARFĂ – DESCRIERE

Tancurile de balast sunt organizate în secțiune transversală ca perechi, despărțite în planul diametral al navei de magaziile de marfă. Picul prova are o formă aparte, deoarece în zona prova a navei, în prova peretelui de coliziune, sunt amenajate copartimente uscate: compartiment magazie de parâme prova, compartiment pituri, magazie inventare.

Nava este prevazută astfel cu 12 tancuri pentru balastul curat: 5 perechi de tancuri de balast simetrice, în prova – picul prova iar în pupa – picul pupa.

Pentru situații speciale de asigurare pescaj, pentru condiții de siguranță, magazia numărul 3 de marfă este destinată ca tanc de balast greu.

Pompele de balast sunt de tip centrifugal, amplasate în compartimentul sala mașini, câte una în fiecare bord. Pompele sunt acționate electric, sunt de construcție verticală, pompa fiind amplasată la partea inferioară. Pompa are corpul și rotorul din bronz rezistent la acțiunea corozivă a apei de mare și este protejată și cu zincuri la interior, pentru a preîntâmpina coroziunea electrogalvanică.

Comanda de la distanță este realizată din camera de comandă amplasată la nivelul punții principale în suprastructură. Aici este montat panoul de comandă și control pentru instalația de acționare hidraulică și comanda pentru echipamentul de distribuție a traseelor pilot (comanda la distanță a echipamentelor menționate anterior) cu circuite electrice de conexiuni, monitorizare și protecție.

Pompele de balast sunt conectate astfel:

la chesoanele kingston (exteriorul navei) BB-priza de fund (fig. 3.5. a), Tb – priza de suprafață (fig. 3.5. b), pentru aspirația apei de mare din exteriorul navei;

la tancurile de balast;

la prizele de bordaj, cu valvule de bordaj pentru refularea apei de mare peste bord;

Figura 3.5. Valvula Kingston

1 – armătură de închidere, 2 și 3 – conducte de alimentare cu abur și aer comprimat;

4 – racord de aerisire; 5 – tub inelar perforat pentru dezghețare și suflare cu abur sau aer comprimat; 6 – grătar

Instalația de balast din zona de marfă – componență:

o magistrală principală, din țeavă trasa-DN300, amplasată în compartimentul mașini al navei, care deservește fiecare tanc de balast în parte.

câte o magistrală de refulare peste bord pentru fiecare pompă de balast;

o linie de alimentare a tancului de balastul greu, sau balastul de furtună;

conexiuni pe plafonul tancurilor pentru circularea apei de mare forțat, prin tanc-peste bord, pentru îndeplinirea cerințelor regulamentelor internaționale cu privire la prevenirea transportului microviețuitoarelor acvatice-marine.

Pentru controlul nivelului și implicit al cantității de apă din tancuri, se utilizează nivelmetre ale căror indicații permit luarea deciziilor pentru comanda manevrelor de exploatare a instalației de balast.

Fiecare tanc de balast este prevazut cu o linie de alimentare-golire cu sorb și valvulă de izolare. Valvulele sunt montate în spațiul de gurnă, sub puntea principală, în tancurile de balast. Conform regulilor societății de clasificare, valvula pentru tancul respectiv trebuie montată în spațiul adiacent tancului deservit. Având în vedere că valvulele sunt montate în tancurile de balast, acționarea lor se va face de la distantă prin intermediul sistemului de tubulaturi pentru acționare la distantă valvule. Acesta este un sistem hidraulic de acționare.

Valvulele comandate de la distanță pentru instalația de balast sunt de tip fluture cu actuator hidraulic de tip rotativ, cu dublă acționare. Avantajul acestor actuatoare este că sunt foarte compacte – dezavantajul este acela că pentru fiecare valvulă sunt necesare două trasee de conectare-acționare. Actuatorul realizează deschiderea, respectiv inchiderea valvulei într-un timp foarte scurt și asigură menținerea poziției valvulei timp îndelungat în poziția comandată.

Fiecare actuator/valvulă de balast este conectat individual la pupitrul de comandă (panoul cu valvule solenoid) prin intermediul traseelor de tubulatură de comanda. Pentru simplitatea la instalarea/montarea sistemului, se alege tubulatura de tip politub: mai multe țevi în camașa comună – asemanator cablurilor electrice (politub cu 2, 4, 6 sau 8 țevi în cămașa comună).

Conform regulilor, pentru fiecare valvulă trebuie să existe cel puțin un al doilea mijloc de acționare. Astfel, panoul de comandă valvule are prevăzute conexiuni de avarie pentru utilizarea unor pompe manuale de acționare hidraulică. Totodată, fiecare valvulă are prevăzut câte un sistem de acționare individual, de avarie – asa-zis local; dispozitiv și conexiuni amplasate la nivelul punții principale, la intrarea tubulaturii de acționare hidraulică în tanc și permite acționarea actuatorului/valvulei cu pompa manuală de acționare de avarie.

Conform regulilor societăților de clasificare, valvula de la picul prova trebuie montată pe peretele de coliziune, în interiorul tancului. Corelat cu regula care solicită ca valvula ce deservește tancul sa fie montată în exteriorul tancului, rezultă că este necesară amplasarea acesteia în coferdamul prova. Tot conform regulilor, valvula trebuie prevăzută cu al doilea mijloc manual-individual de acționare de la nivelul punții principale și este prevazută cu o pompă fixă pentru acționare manuală și cu indicator pentru poziția clapei valvulei. Pompa este pentru funcționare în mediu marin pe punte deschisă și este montată lângă trecerea tubulaturii în puntea principală.

Anumite valvule acționate hidraulic, considerate importante din punct de vedere funcționalitate-vitalitate sistem, sunt prevazute suplimentar cu același sistem local de acționare manuală. Armăturile în cauză sunt cele 2 valvule tip fluture, și cele 2 valvule de refulare peste bord ale instalației.

Fiecare pompă de balast este prevazută-protejată de câte un filtru de apă de mare, construcție sudată, cu sită metalică din inox (tablă perforată), cu grad de finețe de aproximativ 5 mm și este montată în apropierea pompei.

Configurația instalației este realizată astfel încât se permite dublarea fiecărei pompe/preluarea funcțiilor uneia de către cealaltă, atât pe partea de aspirație cât și pe partea de refulare. Cele doua pompe sunt interconectate atât pe partea de aspirație cât și pe partea de refulare. Sistemul de balast este realizat astfel încât, în condiții normale de exploatare, ambele pompe să poată aspira atât fiecare pompă din chesonul propriu, cât și pentru situația cu fiecare pompă dintr-un singur (oricare) cheson comun.

Refularea fiecarei pompe se face în apropierea ei, în bordul corespunzator, dar cu posibilități de interconectare la cealaltă refulare, respectiv pompă.

Magistrala de balast din gurnă este dimensionată astfel încât să poată asigura funcționarea simultan a celor doua pompe.

Operațiuni de striping a tancurilor:

La debalastare, cand nivelul de lichid din tanc este redus, aproape de nivelul sorbului și datorită debitului mare al apei, există posibilitatea dezamorsării sorbului-traseului. Pentru preîntâmpinarea acestui fenomen, de obicei se instalează trasee independente cu valvulă de izolare și sorb la dimensiuni mici (mult micșorate în comparație cu tubulatura normală a instalației) și echipamente de pompare adecvate ca dimensiune. De obicei se folosesc pompe mici sau ejectoare antrenate cu apă de la instalația de stins incendiul cu apă de mare.

Pentru stripingul tancurilor de balast, instalația este prevazută cu valvule de izolare tancuri de balast, având actuatoare cu operare continuă, pentru poziții intermediare și nu numai, pentru poziție închis-deschis. La reducerea nivelului în tanc se va ajusta/reduce deschiderea valvulei pentru a păstra sorbul amorsat, se poate reduce turația pompei de balast, iar cand nivelul este foarte mic, atunci se va pune în funcționare ejectorul de striping.

Pentru protejarea mediului înconjurator, prin prevenirea transportului microorganismelor marine dintr-o zonă geografică în altă zonă geografică, nava are prevăzută câte o conexiune flanșă cu flanșă oarbă pe plafonul fiecarui tanc de balast și un număr de tronsoane de tubulatură demontabile pentru deversarea peste bord. Pe durata voiajului, echipajul trebuie să aplice cerințele normelor internaționale în vigoare. Apa de balast din tancurile de balast este schimbată de un anumit număr de ori, prestabilit, până la sosirea în portul de destinație. În acest caz, apa este evacuată peste bord printr-o circulație fortată, continuă, cu pompa de balast, prin aceste piese demontabile asigurate pe tanc pe durata operațiunilor.

Pentru operarea in bune condiții a instalației de balast și atingerea condiției de plutire dorită, este necesară supravegherea, verificarea nivelului de apă în tancurile de balast. Fiecare tanc este prevăzut, conform regulilor, cu tuburi de sonda-DN50 care asigură citirea locală și directă a nivelului de apă in tanc. Nava este dotată cu tabele de sonde care permit transpunerea valorilor citite, a lungimii de bandă a sondei în volume de lichid. Țeava de sondă este supraânaltată față de nivelul punții principale cu 200 mm, având ca mijloc de închidere un dop de sondă, conform standardelor navale, o construcție simplă și eficace, asigurat de tubulatură cu un lanț de inox.

În stransă corelare cu instalația de balast, în raport cu functțonarea instalației și siguranța tancurilor, fiecare tanc este prevăzut cu câte o aerisire la partea superioară-prova. Dimensiunea aerisirii este de 1.25xDn-ul tubulaturii de umplere a tancului (respectiv dimensiunea DN a sorbului din tanc). Fiecare tub de aerisire este prevăzut cu un dispozitiv care asigură circulația aerului în ambele sensuri, dar a apei doar din tanc spre exterior: răsuflatoare cu flotor construcție turnata din fonta, iar flotorul din PVC. Conform regulilor societății de clasificare, precum și a convenției internaționale asupra liniilor de incărcare (Load Line), montajul este realizat astfel încât punctul cel mai de sus la care poate intra apa de mare în tanc de pe punte deschisă este de 760 mm față de nivelul punții principale. Aerisirile amplasate în zona prova, primul sfert din lungimea navei (cele amplasate pe puntea principală si puntea teugă) sunt prevazute cu întărituri structurale conectate la tabla si osatura punții principale (conform regulamentelor internaționale).

Nava este prevazută și cu un sistem electronic de citire la distanță a nivelului în tancurile de balast care utilizează traductori de tip electronic. Traductorii convertesc greutatea coloanei de lichid în semnal electric continuu, iar acesta este preluat de un calculator specializat, care afișează nivelul de lichid in tanc, volumul de lichid sau masa de lichid. Totodată, acest calculator/sistem comunică electronic cu sistemul centralizat de comandă și control al navei. Nava nu este prevazută cu o cameră și sistem centralizat clasic de control al operațiunilor de ambarcare-debarcare marfă. Aceste operațiuni sunt preluate și controlate prin intermendiul acestor stații grafice. Comanda directă a operațiunilor cu instalația de balast se realizează de la pupitrul cu stații grafice, dedicat operațiunilor de balastare-debalastare, amenajat în suprastructură la nivelul punții principale.

3.7. AUTOMATIZAREA INSTALAȚIEI

Aceste instalații sunt formate din pompe, tubulaturi, tancuri de balast, armături de comandă și control.

Pompele de balast sunt, în general, de tip centrifugal, care la funcționare au debite mari și sunt autoamorsabile. Ele trebuie să îndeplinească condiții atât pe aspirație, cât și pe refulare.

Registrele de clasificare impun dublarea pompei de balast – de obicei aceasta este dublată de pompa de santină.

Tubulaturile instalației de balast sunt formate din:

tubulatura principală, prin care circulă apa de mare;

tubulatura de aerisire a tancului de balast;

tubulatura instalației de masură și control, ce monitorizează nivelul balastului în tancuri.

Figura 3.6. Instalația de balast

Observație: Tubulatura instalației de balast se cuplează la un capăt cu instalația de introdus apa (magistrala de apă de mare), iar la celălalt capăt cu tancurile de balast.

Pătrunderea apei în corpul navei se face prin valvula Kingston sau priza de fund. La celălalt capat al instalației se amenajează tancul de balast cu elementele lui (fig.3.7.): tubulatura de umplere și golire (1), tubulatura de aerisire (2), tubulatura de măsura și control (3).

Volumul și dispunerea tancurilor de balast se face în conformitate cu calculele hidrostatice, astfel încât să se asigure pescajul mediu al navei și posibilitatea de reglare a asietei.

Figura 3.7. Tanc de balast amenajat în prova

Tancul de balast este prevăzut cu:

a) Ramificație cu rol de umplere și golire a tancurilor de balast.

b) Aerisire cu rol de a asigura ieșirea aerului din tanc la umplere. Permite, de asemenea, închiderea tubulaturii când puntea prova intră sub apă. Se are în vedere ca secțiunea de intrare a apei să fie mai mică decât secțiunea de ieșire a aerului, adică (aceasta pentru a nu se crea suprapresiune și vacuum la golire).

c) Tub de sondă – permite controlul local al cantității de balast din tanc. Cantitatea de balast poate fi măsurată și de la distanță, cu ajutorul traductoarelor de nivel. La navele moderne există sisteme automate de control și monitorizare cu urmatoarele aplicații:

masoară automat nivelul din tancurile de balast, apă potabilă, combustibil sau de marfă;

urmărește și semnalizează diverși parametrii (detecția golirii și, respectiv, incărcării tancului, temperatură, presiune și densitate).

De regulă, astfel de sisteme sunt integrate într-un sistem principal de control, prin intermediul unei interfețe care face legătura între traductoarele existente în tancuri și un calculator central. Produsele de acest fel existente pe piață, trebuie să prezinte un grad ridicat de performanță, siguranță și precizie. Montarea traductoarelor în tancurile monitorizate trebuie să corespundă clasei de precizie IP68 (prima cifră 6 semnifică protecția totală contra pătrunderii prafului, iar cea de-a doua ne indică rezistența la imersiune prelungită). Produsele existente pe piață pot realiza monitorizare simultană a circa 80 tancuri (figura 3.8).

Figura 3.8. Sistemul principal de control al tancurilor de marfă, balast, serviciu

Instalația de balast trebuie să permită următoarele manevre absolut necesare în procesul de exploatare a navei: ambarcare-debarcare balast, manevra apei între tancuri, babord-tribord și invers, manevra balastului din pupa în prova și invers. Nivelul apei din tancuri este urmărit în permanență cu ajutorul unor traductoare de nivel.

Aplicațiile marine sunt executate printr-o tehnologie de vârf, care a fost încercată și testată în mii de aplicații de-a lungul anilor. Tehnologia plutitorilor trebuie să permită satisfacerea condițiilor dure din domeniul marin, pentru a funcționa continuu ani de-a randul, fără a se deteriora. Dificultatea accesului la traductorul aparaturii de măsurare a nivelului din tanc implică dotarea navelor în acest sens cu echipamente din cele mai fiabile.

Cel mai întâlnit traductor de nivel este plutitorul (figura 3.9.), utilizat în principal pentru avantajele pe care le prezintă si anume:

plutitoarele urmăresc adevăratele suprafețe ale lichidului și nu extrapolarea rezultatelor obținute din indicații indirecte, cum sunt presiunea sau ecoul;

funcționează perfect în tancurile cu pereți curbați sau altă formă, unde alte tehnologii pentru sesizarea nivelului lichidului nu pot funcționa;

prezintă singura capacitate de a monitoriza nivelele de lichid din orice tanc, indiferent de mărime și formă;

poate opera cu lichide de greutăți specifice diferite;

acuratețea măsurătorilor nu poate fi afectată de schimbări în greutatea specifică, temperatură și presiune a lichidului monitorizat și din aceste cauze nu sunt necesare reglări și recalibrări scumpe;

pot monitoriza zonele de contact între lichid și emulsii.

Figura 3.9. Schema traductorului de nivel cu plutitor

Cu ajutorul traductoarelor cu plutitor se pot măsura nivelele unor lichide de concentrații sau greutăți specifice diferite, care se află adeseori în același tanc – unul plutind deasupra celuilalt (figura 3.10). Cele mai multe traductoare doar urmăresc nivelul cel mai de sus al unei suprafețe de lichid sau conținutul unui tanc ca întreg, dar cu senzorii plutitori montați ca în figura 3.10 se pot monitoriza cu ușurință în zona de contact între două lichide diferite, inclusiv emulsiile, spumele și murdăriile care se formează între ele. Ajustând greutatea specifică a plutitorului magnetic, senzorii sunt reglați să monitorizeze interferența dintre lichidele aparținând unei game largi de produse. Folosiți împreună cu alarme de nivel și sisteme automate de nivel, senzorii dau siguranța că doar lichidul necesar este pompat dintr-un tanc în altul.

Figura 3.10. Monitorizarea nivelului în cazul mai multor lichide în același tanc

Traductorul de nivel cu plutitor magnetic (figura 3.11) are emițătorul montat vertical în tanc și conectat prin cablu la un receptor aflat în altă parte a vasului. Emițătorul se compune dintr-o tijă lungă, de-a lungul căreia se mișcă un plutitor magnetic odată cu suprafața lichidului.

În interiorul corpului ermetic al tijei se află un divizor de voltaj (o rețea – combinație de multe comutatoare și rezistoare), care se întinde pe toată lungimea de indicare a tijei.

Figura 3.11. Traductorul de nivel cu plutitor magnetic

O anumită tensiune de curent continuu este aplicată la capetele emițătorului, în timp ce plutitorul se mișcă cu suprafața lichidului, deschizând comutatoarele, pe baza acțiunii câmpului magnetic.

Rezultatul este o gamă largă de semnale electrice induse proporțional cu nivelul din tanc. Semnalul de ieșire poate fi trimis oricarui tip de receptor, inclusiv celor analogice sau digitale.

Astfel de indicatoare sunt cele mai bune, deoarece: un magnet permanent încorporat în fiecare lamelă formează o legătura sigură cu lamelele adiacente; alinierea corespunzătoare este asigurată constructiv și nu este afectată de șocuri, vibrații, valuri sau schimbări rapide ale nivelului de lichid; un ghid permite utilizarea unui magnet tip bară în interiorul plutitorului. Ghidul este integrat în interiorul canalului cu lamele, deci indiferent de poziție, magnetul din plutitor este întotdeauna aliniat; un magnet permanent puternic stă într-o poziție orizontală în interiorul comutatorului și din această cauză rotația lamelei este sigură și neînșelătoare.

Acest tip de traductor se poate utiliza, printr-un montaj adecvat (figura 3.12), pentru tancurile foarte adânci sau cu pereții înclinați, unde emițătoarele sunt legate în serie și montate suprapus.

Figura 3.12. Montarea traductorului de nivel

Plutitorul, prin construcția și forma lui, are capacitatea de a funcționa și în cazul lichidelor a căror densitate variază în limite largi. Astfel de sisteme dau posibilitatea monitorizării și automatizării proceselor de balastare-debalastare, în vederea menținerii unei asiete convenabile, mai ales la navele specializate ce ambarcă greutăți concentrate mari.

CAPITOLUL 4

CALCULUL ȘI PROIECTAREA INSTALAȚIEI DE BALAST A NAVEI VRACHIER 55000 TDW (proiect japonez 2004)

4.1. BREVIAR DE CALCUL AI PRINCIPALILOR PARAMETRII

Importanța unei bune funcționări și fiabilități a instalației de balast-asietă se extinde și prin prisma asigurării vitalității navei, având în vedere importanța asigurării flotabilității și nescufundabilității navei prin limitarea înclinării acesteia și utilizarea, în caz de necesitate deosebită, a pompelor de balast la golirea compartimentelor inundate și asigurarea debitelor de apă necesare stingerii de incendii apărute la bordul navei – prin cuplarea pompelor de balast la instalațiile de santină respectiv la cea de stins incendii cu jet de apă. Interconectarea instalațiilor de balast, santină și stins incendii prezintă avantaje pentru toate instalațiile în cazul avarierii pompelor vreuneia dintre acestea, această metodă fiind utilizată și pentru reducerea numărului de pompe utilizate (pompele dintr-o altă instalație pot fi folosite/considerate ca pompe de rezervă pentru celelalte instalații), în acest grup poate fi inclusă și pompa de rezervă a instalației de răcire cu apă a motorului principal.

Calculul instalației de balast prevede determinarea caracteristicilor constructiv-funcționale ale elementelor componente ale acesteia, în funcție de condițiile impuse de Registrul de Clasificare.

4.1.1. Determinarea debitului pompelor

Parametrul cel mai important în calculul instalației de balast este debitul pompelor de balast, care se calculează cu formula:

[m3/h] (4.1)

în care :

V – volumul total al tancurilor de balast ale navei, in m3;

n – numarul de pompe ale instalatiei de balast;

T – timpul de balastare – debalastare in ore.

Deservirea instalatiei de balast este realizata de un numar de doua pompe, iar timpul de balastare – debalastare conform Registrului Naval Japonez este cuprins intre 8 -12 ore.

Volumul total al tancurilor de balst ale navei este de: 15407,1 m3 conform documenației de la bordul navei.

Timpul total alocat pentru operatiunile de încărcare-descărcare magazii de marfa este maxim 36h. Adopt ca timp necesar pentru operatiunile de balastare 12h. Pentru balastare se vor utiliza simultan ambele pompe de ballast (n=2) – se adopta acest lucru pentru a utiliza pompe de capacitate mai mica si implicit costuri de instalare mai mici.

[m3/h] 4.2)

Corespunzator celor de mai sus rezulta debitul unei pompe de balast de 642 m3/h . Adopt o pompa cu debitul de 700 m3/h.

Q = 700 [m3/h]

4.1.2. Diametrul nominal al tubulaturilor

Tubulatura de balast este formată din ramificații ce leagă tancurile de balast de magistrala amplasată în compartimentul mașinii de propulsie (fig. 4.3).

Tubulatura magistrală face legătura cu pompele si cu armăturile.

Tubulatura trebuie astfel dispusă încât umplerea si golirea diverselor tancuri să se realizeze independent, atât atunci când nava este pe asieta dreaptă, cât și atunci când nava este pe asieta înclinată și să nu fie supusă înghețării.

Fiecare tanc de balast trebuie deservit de o ramificație independentă care funcție de configurația tancului , poate avea încă una sau două ramificații. Dispunerea sorburilor trebuie făcută în locurile cele mai adânci ale tancurilor, astfel încât sa se poată asigura golirea tancurilor în orice condiții .

În afara tubulaturii de introducere și evacuare a balastului, tancurile de balast sunt saturate cu rețele de tubulatura pentru măsurarea nivelului apei din tanc.

Tubulatura pentru aerisire se montează în prova tancului de balast , iar tubulatura pentru măsurarea nivelului se montează în pupa acestuia.

Secțiunea tubulaturii pentru aerisire trebuie sa fie mai mare decât secțiunea tubulaturii de introducere a apei în tanc pentru asigurarea unei bune aerisiri.

Sondele de aerisire vor avea o înălțime de minim 760 mm deasupra punților principale si de minim 450 mm deasupra punții suprastructurii.

Diametrele interioare ale racordurilor tubulaturii de balast db, pentru fiecare tanc se determină cu formula:

[mm], (4.3)

în care Vb reprezintă volumul tancului de balast considerat [m3];

Diametrele se vor lua după dimensiunea standardizată cea mai apropiată.

Diametrul tubulaturii principale de balast trebuie să fie cel puțin egal cu cel mai mare diametru al racordului de aspirație determinat după formula (2).

4.1.3. Armăturile instalației :

Armăturile instalației de balast sunt din fontă , oțel sau bronz. Armăturile pot fi izolate sau în casete, manevrarea lor putând fi făcută manual sau de la distanta prin comanda hidraulică, pneumatică sau mecanică în funcție de locul de amplasare , precum și de nivelul de mecanizare sau automatizare al acestora .

Toate armăturile, precum si casetele de valvule se montează de obicei în zona compartimentului unde se montează si pompele .

Armăturile instalației de balast trebuie să permită circulația fluidului în ambele sensuri.

Din același considerent armăturile de închidere ale sorburilor nu sunt cu reținere.

O construcție deosebită o au armăturile de ambarcare a balastului, armături denumite valvule Kingstone. Acestea se dispun cât mai jos posibil în zona fundului sau a gurnei pentru a evita posibila pătrundere a aerului în pompă atunci când pescajul navei este minim.

Pentru evitarea înghețării secțiunii de intrare sau înfundarea valvulei Kingstone se prevede încălzirea chesonului prin suflare cu abur și suflare cu aer comprimat.

Pentru navele fluviale, care navigă în ape de adâncimi limitate, chesoanele Kingstone se dispun în borduri pentru a facilita aspirația apei fără mâl.

4.1.4. Calculul volumelor tancurilor de balast

La proiectarea instalației de balast, a vrachierului, am considerat următoarea amplasare a tancurilor de balast :

în tancurile de gurnă și picul prova pentru reglarea asietei longitudinale și pescajului;

în tancurile laterale de sub punte, antiruliu, pentru reglarea asietei transversale.

Tubulatura instalației de balast proiectate este formată din ramificații ce leagă tancurile de balast de magistrala aflată în zona de gurnă și de asemenea face legătura cu pompa și armăturile din compartimentul de mașini.

Tubulatura este astfel dispusă încât să asigure umplerea si golirea diverselor tancuri de balast independent .

Volumul tancurilor de balast se calculează după formula :

(4.4)

unde: l – lungimea tancului;

b – lățimea tancului;

d – înălțimea tancului.

Pentru tancurile de gurnă volumele sunt:

Vb1t = Vb1b = 809,8 m3 Vb4t = Vb4b = 667,0 m3

Vb2t = Vb2b = 1101,7 m3 Vb5t = Vb5b = 576,2 m3

Vb3t = Vb3b = 698,7 m3

Tancul din picul prova are volumul : Vb6 = 1590,5 m3

Tancurile superioare de sub punte au următoarele volume:

Vb7t = Vb7b = 377,8 m3 Vb10t = Vb10b = 565,5 m3

Vb8t = Vb8b = 562,0 m3 Vb11t = Vb11b = 519,1 m3

Vb9t = Vb9b = 520,2 m3

Tancul din picul pupa are volumul : Vb12= 576,2 m3

Conform recomandărilor registrelor de clasificație, diametrul interior al ramificațiilor tubulaturii de balast pentru fiecare tanc se determină cu formula (4.3):

Pentru tancurile de gurnă avem următoarele diametre:

mm mm

mm mm

mm

Pentru tancul de balast din picul prova avem următorul diametru:

mm

Pentru tancurile de balast de sub punte avem următoarele diametre:

mm mm

mm mm

mm

Tabelul nr. 4.1 – Diametrul calculat

Diametrul magistralei de apă de mare se calculează din ecuația continuității astfel :

(4.5)

(4.6)

(4.7)

[m2]

și implicit din relația (4.7) rezultă :

[mm] (4.8)

unde :

Q este debitul pompei [m3/h]

v este viteza de curgere a fluidului [m/s]

S este secțiunea de curgere a fluidului [m2]

D este diametrul magistralei de balast [mm]

Vitezele recomandate pentru apa de mare în instalația de balast sunt 2 – 2,5 m/s.

Adoptând viteza v = 2 m/s – utilizând formulele de mai sus rezultă diametrul D=497 mm

Pentru viteza v = 2.5 m/s – utilizând formulele de mai sus rezultă diametrul D=442,20 mm

Analizând următoarele criterii :

viteză apă de mare în tubulatură ;

dimensiune tubulatura(și implicit armături obișnuite, armături acționate hidraulic, suporți, etc) ;

dimensiuni structură și spații acces în structura tancurilor de balast ;

decupări existente pentru usurare în osatura întărită a navei ;

criteriu de rezistență structura de corp impus de registrul de clasificare ;

criteriu economic cu referire la construcția navei și cu implicații ulterioare în prețul de construcție-vânzare a navei ;

Adopt tubulatura magistrală la dimensiunea DN300 și viteza de curgere în țeavă de aproximativ 2.5m/s. Implicit aceeași viteză se va utiliza ca referință pentru dimensionare și verificarea celorlalte trasee de tubulatură.

Timpul total de balastare va trebui să se încadreze în ecartul 8÷12 ore, avand in vedere condiția ca (de)balastarea celui mai mare tanc de balast să se realizeze într-o perioadă de timp maximă de ore.

Avand in vedere volumele tancurilor – conditia de durata maxima pentru (de)balastarea tancului cu volum cel mai mare se observa urmatoarele :

Diametrul tubulaturilor magistrale trebuie să fie cel puțin egal cu cel mai mare diametru al ramificațiilor sau, altfel spus:

mm

mm

unde:

Vmax G = volumul celui mai mare tanc de gurna;

Vmax PP= volumul celui mai mare tanc de sub puntea principală.

Vmax G= 1590,5 m3 = volumul

Standardizarea diametrelor magistralelor și ramificațiilor de tubulatură se face conform STAS-urilor. Conform STAS 404/1-71 vom avea următoarele diametre:

Tabelul nr.4.2 – Diametrul nominal cf. STAS

Diametrele nominale și grosimile țevilor utilizate trebuie să corespundă valorilor standardizate, grosimea minimă a țevilor la un anumit diametru exterior fiind impusă de societatile de clasificare, in general. Diametrul nominal adoptat pentru tubulatură va fi diametrul standardizat cel mai apropiat de cel calculat, conform STAS 6898/2-80 astfel :

211,38 mm – corespunzator DN250mm;

234,23 mm – corespunzator DN250 mm;

201,24 mm – corespunzator DN200 mm;

198,15 mm – corespunzator DN200 mm;

210,39 mm – corespunzator DN250 mm;

163,95 mm – corespunzator DN200 mm;

187,15 mm – corespunzator DN200 mm;

182,39 mm – corespunzător DN200 mm;

187,54 mm – corespunzator DN200 mm

182,26 mm – corespunzator DN200 mm;

210,12 mm – corespunzator DN250 mm;

149,78 mm – corespunzator DN150 mm;

Magistralela de gurnă: .

Adoptând grosimea peretelui de 8 mm →

Magistralele tubulaturii de sub puntea principală: .

Adoptând grosimea peretelui de 8 mm →

Ramificații:

Pentru tancurile de balast de gurnă avem următoarele diametre nominale interne:

Pentru tancul de balast din picul prova avem următorul diametru nominal intern:

Pentru tancurile de balast de sub puntea principală avem următoarele diametre nominale interne:

Materialul tubulaturii este otel OLT35 iar dimensiunile tubulaturii le aleg conform STAT404/1-80.

Avand in vedere faptul ca valvulele instalatiei sunt de tip cu actionare hidraulica, pentru uniformizare dimensiuni trasee instalatie cu implicatii in partea economica de aprovizionare si constructie se adopta urmatoarele dimensiuni al ramificatiilor la tancurile de balast : DN200 mm pentru toate tancurile din zona de marfă.

4.1.5. Determinarea sarcinii de refulare a pompei

Având în vedere configurația și componența sistemului de tubulatură al instalației de balast, funcționarea pompei de balast trebuie să asigure învingerea sarcinii hidrostatice și a sarcinii suplimentare. Sarcina hidrostatica a pompei este dată de diferența de nivel dintre punctul de aspirație al apei (valvula Kingston situată în zona gurnei navei) și cel de refulare; sarcina suplimentară este dată de pierderile de presiune suferite de fluidul transportat datorită frecărilor și turbioanelor create la trecerea acestuia prin diferitele componente ale sistemului de tubulatură.

Pierderile de presiune pe tubulatură se pot împărți în :

pierderi liniare (iau naștere prin frecarea dintre fluid și peretele interior al segmentelor liniare de tubulatură) ;

pierderi locale (datorate formelor secțiunilor de trecere ale elementelor de control, distribuție și îmbinare ale tubulaturilor ce conduc la devieri ale vânelor de lichid precum și la accelerări sau decelerări ale acestora, pentru care este necesar un consum din energia cinetică acumulată de lichid la ieșirea din pompa de balast). Calculul acestor sarcini are în vedere utilizarea următoarelor relații:

Sarcina hidrostatică.

Este dată de relația:

[bar]. (4.9)

unde:

ppz – sarcina hidrostatică

– densitatea apei de mare

g – accelerația gravitațională

h – diferența de nivel maximă între nivelul apei din picul prova și suprafața mării.

h =3,4 m

Pierderile de sarcină liniare

Pentru cazul mișcării laminare permanente într-o conductă cilindrică circulară cu diametru constant d se poate demonstra relația:

[bar]; (4.10)

în care:

dtr = diametrul interior al tubulaturii de balast considerate [m];

vtr = viteza apei prin tubulatura [m/s];

ρtr = densitatea apei vehiculate [kg/m3]; Densitatea apei de mare este ρtr=1025 Kg/m3

λ = coeficientul de rezistență liniară;

l = lungimea tronsonului de tubulatură considerat [m].

Coeficientul de rezistență liniară este un parametru ce definește din punct de vedere cantitativ pierderile de sarcină suferite de fluid la trecerea sa prin segmentele de tubulatură. Acest coeficient este dependent de parametrii definitorii ai modului de curgere al apei prin tubulatură și de parametrii constructivi ai țevii utilizate. Astfel:

(4.11)

în care:

Re – numărul Reynolds corespunzător curgerii fluidului prin segmentul considerat de tubulatură ;

kc – rugozitatea absolută a suprafeței interioare a tubulaturii [mm] ;

kc = 0,012 mm ;

dc – diametrul nominal al conductei [m];

kc/dc – rugozitatea relativă a suprafeței interioare a conductei = k.

Numărul Reynolds, pentru o curgere turbulentă (caracteristică vitezelor mari de cugere specifice deplasării apei în tubulatura de balast), se poate determina cu relația:

(4.12)

pentru care:

vc – viteza medie a apei prin conductă [m/s]

dc – diametrul nominal al conductei [m]

νac – viscozitatea cinematică a apei din conductă [m2/s]

νac = 1,791·10-6 m2/s

Pentru determinarea viscozității cinematice a apei la diferite temperaturi se poate utiliza relația:

[m2/s], (4.13)

în care:

t[0C] = temperatura apei ce străbate segmentul de tubulatură [0C].

Pentru t0= 23C s-a calculat vâscozitatea cinematică a apei de mare ca fiind egală cu :

νac= 1.64751·10-6 m2/s

Pierderile de sarcină locală

Rezistențele locale determină variații de mărime sau direcție ale vectorului vitezei. Pierderea de sarcină locală se determină experimental și se determină cu relația:

(4.14)

în care:

v – viteza din secțiunea neperturbată;

ζ – coeficientul de pierdere de sarcină

ρ – densitatea apei

acest coeficient depinde de forma rezistenței locale, de numărul Reynolds, rugozitatea pereților și în cazul armăturilor de gradul acestora de închidere.

Pentru toate rezistențele locale, mărimile coeficienților depind de tipodimensiunile piesei și sunt constante doar pentru rezistențe locale geometric similare, la numere Re egale. Pentru aceeași tipodimensiune coeficientul ζ variază în funcție de Re.

Determinarea debitului minim

Registrul recomandă determinarea debitului pompei de balast, ținând seama de asigurarea vitezei apei de cel puțin 2 m/s , cu diametrul tubulaturii calculat pentru tancul de balast cu volum maxim :

(4.15)

Recalcularea vitezelor pe tubulatură

Calcularea vitezelor pe tubulatură se va face cu ajutorul debitului minim calculate.

(4.16)

4.2. CALCULUL HIDRAULIC AL INSTALAȚIEI

Calculul hidraulic constă în calcularea sarcinii H pentru traseul cel mai dificil, respectiv cu cele mai multe pierderi.

După schematizarea instalației (fig. 4.4) se definește caracteristica tubulaturii care se cuplează la pompă. Pentru aceasta se va considera cel mai dezavantajos caz de funcționare pe aspirație, caz ce constă în cuplarea pompei la tubulatura cea mai lungă.

Situația cea mai dezavantajoasă pentru pompa de balast este aceea când pompa aspiră din tancul de balast cel mai din prova și refulează în tancul cel mai ridicat (forpic, afterpic, tancurile de sub punte, sau peste bord ).

Funcție de valoarea pierderilor hidraulice și a celor geodezice se calculează sarcina pompei pentru traseul cel mai dificil.

Pierderile hidraulice de presiune pe traseu sunt formate din pierderile de sarcină liniare, datorate scurgerii prin conducte cu o anumită rugozitate și pierderile de sarcină locale introduse de către armăturile de pe traseu, coturi, reduceri de diametre, ramificații etc.

Pierderile geodezice de presiune pe traseu sunt formate din pierderile de sarcină datorate schimbării de cota (înălțimea) la care trebuie să ajungă apa față de nivelul pompei.

Pentru nava proiect vom considera situația cea mai dezvantajoasă de funcționare a pompei, situația în care pompa aspiră din tancul de balast din picul prova și refulează peste bord.

4.2.1. Determinarea lungimilor specifice ale tubulaturii

În funcție de dimensiunile principale ale navei și de schema de calcul hidraulic, se adoptă lungimile specifice pentru fiecare tronson de tubulatură dintr-e valvule, cot-uri, T-uri, filter, sorb, etc.

4.2.2. Calculul pierderilor de sarcină pe aspirația pompei

Calculul pierderilor liniare de sarcină pe aspirația pompei

Pentru cazul proiectului luăm în calcul o curgere laminară permanentă sau turbulentă, funcție de mărimea criteriului Reynolds, prin conductele magistrale și ramificațiile acestora, pe lungimea pentru care diametrul se păstrează constant. Valoarea acestor pierderi se calculează cu formula:

(4.17)

sau:

(4.18)

unde:

ρ – densitatea apei de mare = 1,025 t/m3;

Re – criteriul adimensional Reynolds;

υ – vâscozitatea cinematică a apei , υ = 1,647·10-6 m2/s ;

l – lungimea tronsonului;

g – accelerația gravitațională, g = 9,8055.

Traseul de aspirație al pompei din tancul picul prova se imparte în două lungimi diferite cu diametrul tubulaturii diferit si implicit viteza de curgre pe cele două segmente diferită.

Conform schematizării instalației avem:

Pentru tronsonul cuprins între punctele 1 – 2 adoptam:

d12 = 0,25 m

Calculul criteriului Reynolds pentru cazul d1-2 = 250 mm, viteza recalculată fiind

v1 = 2,0 m/s:

Re12 =

Având în vedere că valoarea criteriului Reynolds este mai mare de 3000 situația curgerii prin instalația navei proiect este cea de curgere turbulentă.

În această situație determinarea coeficientului se face și în funcție de valoarea raportului d/k. Valoarea rugozității absolute echivalentă este de 0,15 mm pentru țevi din oțel zincate.

Coeficientul pierderilor de sarcină se calculează cu formula lui Konakov:

; (4.19)

Pentru determinarea pierderilor pe acest traseu lungimea de calcul este: l1-2 = 145 m

Rezultă:

sau:

Pentru tronsonul cuprins intre punctele 2 – 3 adoptăm:

d23 = 0,20 m

Calculul criteriului Reynolds pentru cazul d2-3 = 200 mm, viteza recalculată fiind:

v2 = 3,12643 [m/s]:

Re23 =

La fel ca pe tronsonul 1-2 valoarea criteriului Reynolds este mai mare de 3000 situația curgerii prin instalația navei proiect fiind cea de curgere turbulentă.

Coeficientul pierderilor de sarcină se calculează cu formula lui Konakov:

Pentru determinarea pierderilor pe acest tronson lungimea de calcul este: l23 = 34,5 m

Rezultă:

sau:

Pierderea liniara pe aspiratia pompei este:

(4.20)

(4.21)

Calculul pierderilor locale de sarcină pe aspirația pompei.

Calculul pierderilor de sarcină locale este foarte dificil de efectuat și în consecință, în practică aceste pierderi se determină experimental sau se calculează cu formula:

(4.22)

sau:

(4.23)

unde: ζ – coeficientul de pierdere de sarcină locală care depinde de forma rezistenței locale, de numărul Reynolds, de rugozitatea pereților iar în cazul armăturilor și de gradul lor de închidere.

Pentru valori ale criteriului Reynolds mai mari de 105, influența acestui criteriu devine infimă și poate fi neglijată.

Calculul pierderilor locale de sarcină se face pe fiecare ramificație și armatură de pe traseul sorb-pompă. Schema variantei debalastare a tancului pic prova este prezentată în anexa 1.

Coeficientul ζ pentru diferite tipuri de rezistențe locale este:

cot la 90o -ζ = ; pentru α =90 raportul ;

ζ = 0,15827;

cot la 60o -ζ = ; pentru α =60 raportul ;

ζ = 0,13711;

valvulă future pentru d1-2 = 0,25 m – ζ = 2;

valvulă future pentru d2-3 = 0,20 m – ζ = 2,1;

valvulă fluture de bord – ζ = 9;

T cu flanșe turnat (trecere) – ζ = 0,9;

Sorb – ζ = 0,3;

Filtru – ζ= 4,3.

În tabelul 4.3 sunt date valorile coeficientului ζ pentru filtru în funcție de diametrul conductei de aspirație:

Tabelul nr. 4.3 – Valorile coeficientului rezistenței locale

Figura 4.1. Coeficientul rezistenței locale pe filtru

Coeficientul rezistenței locale pe filtru s-a calculat prin interpolare pe diagramă.

ζfiltru= 4,3.

Calculul pierderilor locale de sarcină pe aspirația pompei pe tronsonul de la pompă la sorbul tancului.

Pentru tronsonul cuprins între punctele 1–2, cu d12 = 0,25 m și v1 = 2,00092 m/s, avem următoarele rezistențe locale:

Filtru – 1 filtru

valvulă fluture – 1valvulă

cot la 90ș – 6 cot-uri

T-uri – 2 T-uri

Se poate acum calcula pierderea de sarcină locală pe tronsonul 1-2:

Pentru tronsonul cuprins între punctele 2-3, cu d12 = 0,2 m și v1 = 3,12643 m/s, avem următoarele rezistențe locale:

valvulă fluture – 1valvulă

cot la 90ș – 1cot-uri

T-uri – 1 T-uri

Sorb – 1 sorb

Se poate acum calcula pierderea de sarcină locală pe tronsonul 2-3:

Pentru T1, datorită schimbării diametrului nominal, pierderea locală de sarcină se calculeaza cu media aritmetică a vitezei de intrare în T pe diametrul d1-2=0,25m și viteza de ieșire din T pe diametrul d2-3=0,20 m.

Pierderea de sarcină locală pe aspirația pompei este:

Pierderea totală de sarcină pe aspirația pompei este:

4.2.3. Calculul pierderilor de sarcină pe refularea pompei

Calculul pierderilor liniare de sarcină pe refularea pompei:

Pentru determinarea pierderilor liniare pe acest tronson trebuie să adoptăm diametrul tubulaturii pe refulare: dref=0,25 m și lungimea de calcul de la pompă la valvula de bord: lref = 12 m

sau

;

Calculul pierderilor locale de sarcină pe refularea pompei:

Pentru determinarea pierderilor de sarcină locale pe acest tronson avem următoarele rezistențe locale:

valvulă fluture – 1valvulă

cot la 90ș – 1cot-uri

cot la 60ș – 1cot-uri

T-uri – 1 T-uri

valvulă fluture de bord – 1 valvulă

Pierderea de sarcină locală pe refularea pompei este:

Pierderea totală pe refularea pompei:

Calculul pierderilor de sarcină datorită diferențelor de înălțime (pierderi geodezice)

Sarcina hidrostatică calculată:

Pierderea totală de sarcină este:

Se face transformarea din Pascali în metri coloană de apă:

4.3. DIAGRAMA PIERDERILOR HIDRALULICE PE INSTALAȚIA DE BALAST

Diagrama pierderilor hidraulice pe instalație se calculează în funcție de valoarea debitului minim.

Pentru valori ale debitului minim Q = 0; 20; 40; 60……….360 vom avea valori ale înălțimilor conform tabelului 4.4

Tabelul nr. 4.4. Valorile inălțimilor funcție de debit

Figura 4.2 Diagramele inălțimilor calculate

4.4. ALEGEREA POMPEI

Caracteristicile principale care determină tipul și mărimea pompelor sunt debitul și presiunea pe care trebuie să le asigure.

H = 12,64 m CA

Q = 353,4 m3/h

Cu ajutorul datelor obtinute din calcul putem alege pompa. S-a optat pentru pompa

EMD-300C sub licență TAIKOKIKAI INDUSTRIES JAPAN.

Este o pompa verticală într-o treapta cu dubla aspirație cu următoarele caracteristici (fig. 4.3):

înălțimea de refulare: 17-35 mCA = 1,7÷3,5∙105 N/m2

înălțimea de aspirație: 0 ÷ -6 mCA

mărimea stuț aspirație : 300 mm

marimea stuț refulare : 300 mm

diametrul generator al carcasei: 640 mm;

debit maxim: 700 m3/h

presiune de descărcare: 0,20 MPa

Figura 4.3 Diagrama pompei

4.4.1. Alegerea rotorului

Datele initiale sunt rezultate din calcule:

Qmin = 353.412 m3/h = 98,17 ∙10-3 m3/s

H = 1,23951∙105 [N/m2]

Pompa aleasă are turatia:

n = 1800 rot/min.

Diametrul efectiv al rotorului (fig. 4.9) este:

D = 440 mm

Debitul maxim de lucru al ecestei pompe este:

Qmax = 700 m3/h = 0.1944 m3/s

Stiind ca H = 1,23951∙105 [N/m2],

puterea de lucru ce trebuie sa o aiba electromotorul de actionare a pompei de balast este :

η = 0.83

P =32907 W = 32,907 KW

Pentru a asigura o cota de siguranta a electromotorului de antrenare se merge in calcul cu un adaos de putere de 10-20%, vom avea puterea motorului:

Pn = P + 0.15P = 39,488 KW

Alegem un motor cu puterea nominala

Pn = 65 KW

Motorul electric ales are caracteristicile urmatoare:

Pn = 65 KW

Un = 440 V

In = 101 A

n = 1760 rot/min

cos φ = 0.85;

s = 2.4%

s- factor de alunecare;

Tipul electromotorului: E.M. MIB 3-M-VF 500-250 M-65-4

Pentru instalația proiectată am utilizat urmatoarele armături :

robineți cu clapa fluture ;

valvule imersate – sunt valvule care se afla pe ramificatiile de la tancuri. Acționarea acestor valvule se face hidraulic ;

o valvula de bordaj prin care se face refularea apei din tancuri .

Pentru diferențele de temperatură, caz în care tubulatura se dilată sau se contractă conform registrului se prevăd compensatori de dilatație care se dispun la o distantă minimă de 4 m unul față de celălalt.

Pentru trecerea tubulaturii prin peretii tancurilor pâna la magistrala, se folosesc mansoane de trecere, denumite si treceri etanșe.

Deoarece aceasta instalație presupune lungimi mari vom realiza tubulatura din mai multe tronsoane. Îmbinarea acestor tronsoane se realizează cu flanșe în C.M. si mansoane de cuplare în afara C.M.-ului. Pentru o mai bună rezistentă, flanșele se sudează de țeavă atât la interior cât și la exterior. La îmbinarea tronsoanelor între flanșe se pune o garnitură care să asigure etanșarea îmbinării, pentru a nu avea pierderi.

O armatura de ambarcare a balastului cu o construcție mai deosebita si prezenta în instalația proiectata este valvula Kingstone. Aceasta se dispune cât mai jos posibil în zona fundului pentru a evita posibila pătrundere a aerului în pompa , atunci când pescajul navei este minim. O alta armatura a instalației proiectate o reprezintă sorburile. Sorburile executate ca ajutaje convergente (pâlnii de aspirație) se plasează în pupa fiecărui tanc.

CAPITOLUL 5.

STUDIUL NAVEI VRACHIER, CALSIC ȘI BALAST FREE

5.1. INTRODUCERE

Conceptul de navă ballast-free a fost inventat recent (și poarta patentul American cu nr. 6694908, din anul 2004) a fost analizat la Universitatea din Michigan. Deși fezabilitatea acestui concept a fost demonstrată, analiza inițială era limitată la scopul său comprehensiv solicitat și limitat doar bugetul alocat în acest sens. Așadar, acest lucru a fost fezabil doar pentru a susține testarea modelelor care sunt bazate pe un model de nava deja existent. Deși tipul navei alese reprezintă unul dintre cele mai importante tipuri de nave care naviga în zona Marilor Lacuri, introducerea speciile acvatice nonindigene se face prin acest tip de navă, însă modelul este ales pentru a fost considerat că având caracteristicile unei de tip LASH cu caracteristici mai bune și specificații tehnice mai eficiente. Modelul existent a fost modificat pentru a permite utilizarea unei zone pupă mai apropiată de modelul convențional, însă modelul zonei pupa a navei nu a putut fi aplicat în mod direct pe modelul de vrachier de mărime Seaway, care a fost, până la urmă, studiat în detaliu în continuarea studiului efectuat.

Studiul curent se concentrează pe proiectul unui vrachier tipic de dimensiuni Seaway și construcția unui model la scâr ace urmează a fi utilizat în experimentele din tancul de remorcare ce urmează a fi efectuate. Acest model deja a fost procurat și urmeza să ajungă în cadrul Universității din Michigan în Octombrie 2006.

O parte majoră din analiza hidrodinamică inițială care a fost efectuată pe modelul de navă de tip LASH modificat a fost bazat pe specificul CFD al navei, prin codul SHIPFLOW, care a demonstrat limitar semnificative atunci când se analizează nivelul de prezicere a curgerii vâscoase în zona din pupa navei.

La nivelul actual al studiului curgerea externă din jurul vrachierului de tip balast-free a fost analizată folosind softul FLUENT, ediția 2005. Rezultatele curgerii externe au fost utilizate pentru a obține condițiile de limitare necesare pentru a efectua simularea numerică (tot în FLUENT) a curgerii apei în direcția longitudinală rezervoarelor de balast de la bordul navei. Curgerea internă a fost simualta pentru a estima factorul de scalare al curgerii în vederea efectuării experimentelor în tancul de remorcare.

În următoare etapă a acestui studiu modelul va fi utilizat pentru efectuarea experimentelor care permit studierea, mai în detaliu, impactului hidrodinamic a Conceptului de Nava Balalst-Free. Analiza hidrodinamică experimentală și numerică, combinată cu o procedură de optimizare, va duce la o soultie de proiectare care ar putea să confere economisiri nete în Costul Necesar Transportului de Marfă (prescurtat RFR) care permite alternarea metodelor de tratare a apei de balast și abordările acestor chestiuni. Soluțiile numerice vor fi rafinate și validate prin metoda testării modelului la scara al navei.

5.2. CUNOȘTINȚE

Grantul de cercetare inițial susținea dezvoltarea unui Concept de Nava Ballast-Free, acest lucru fiind anunțat printr-o publicație din cadrul Ședinței Societății Arhitecților Năvăli și Inginerilor Navali (SNAME), din Washinton, DC, din Octombrie 2004. Peste toate, analiza conceptului de nava ballast-free a demonstrat faptul că este o alternativă viabilă la sistemele adiționale de tratament a apei de balast, pentru a putea înlocui performanțele și cerințele pe care le impugn aceste sisteme de tratare a apei de balast. Acest concept elimina, în esență, toată apa de balast încărcată în zone străine. Acest lucru ar trebui să fie mai eficient în comparație cu metodele de tratare a apei de balast în ceea ce privește reducerea potențialului de introducere a speciilor nonindigene direct în Marile Lacuri și în alte zone maritime costiere. Mai mult decât atât, ar trebui să fie la fel de eficient ca și cerințele din cerințele la nivel internațional, care sunt extinse la o dimensiune de până la 50 de microni (conform IMO 2004).

Abordarea tradițională a operațiunilor de balast, de la introducerea motorului cu aburi, a constat în folosirea apei de balast pentru a spori greutatea navei în condiția de “navă ușoară” (nava încărcată doar cu apă de balast). O schimbare drastică a acestei paradigme este privită ca o condiție de balast ce implică o modificare a flotabilității, în locul gândirii clasice care privea o modificare a greutății, pentru a atinge la valoarea de siguranță a balastului. O astfel de modificare a modeului că în care este abordată această chestiune a dus la creară conceptului de “Navă de tip Ballast-Free”.

În cadrul acestui concept tancurile tradiționale de balast sunt înlocuite de compartimente de balast structural, logitudinale care se desfășoară sub zona de marfă a navei, la un nivel considerat sub pescajul de balast. Dispunerea în cazul unei nave convetionale de tip vrachier din categoria Seaway este prezentată în figură 5.1, iar dispunerea în cazul conceptului de navă de tip “Ballast-Free” este prezentat, pentru comparație dreaptă a acestei figuri. În cadrul acestui exemplu, cele trei compartimente de balast sunt conectate la apa mării prin intermediul unor sorburi de umplere, care sunt montate în prova navei, iar unul este montat în zona pupa a navei. Dispunerea schematică compartimentelor și a sorburilor de balast de la prova și pupa navei sunt prezentate în figură 5.2 și figura 5.3. Aceste compartimente sunt inundate cu cu apă de mare pentru a reduce flotabilitatea navei în condiție de balastare pentru a ajunge la valoarea nominală a pescajului de balast. Din timp ce se creează în mod natural o presiune diferențială între zona prova și zona pupa a unei nave din cauza mișcării navei prin apă se induce o curgere puțin intensă în compartimentele deschise de balast. Acest lucru are rolul de a asigura faptul că în compartimentele de balast există mereu apa la un nivel maxim și că sunt umplute cu apă de mare locală (din zona tranzitată de navă în acel moment). Acest lucru are menirea de a asigura faptul că nu se transporta specii acvatice nonindigene de-a lungul călătoriei globale a navei. Așadar, nava devine o navă “ballast-free”, dintr-un punct de vedere tradițional al instalației de balast.

Când voiajul în condiție de balastare este finalizat, compartimentele de balast pot fi isolate de apă de mare prin intermediul valvelor, putând fi pompată apa din tancuri prin intermediul pompelor convenționale de balast. În acest fel necesitatea unui sistem sofisticat și scump de tratare a apei de balast este eliminată. Această abordare va permite eliminarea chiar și a organismelor biologice cu dimensiuni de 50 de micron. În timpul condiției navei de încărcare la capacitate maximă, condiție în care nu este necesară prezența apei de balast, compartimentele de balast din puntea dublu fund poate fi divizată prin utilizarea valvelor. Acest lucru este necesar pentru a asigura un grad de nescufundabilitate a navei, în caz de avarie majoră.

Pentru a asigura o stabilitate intactă, adecvată, o capacitate echivalentă de încărcare, etc. proiectul navei trebuie să fie dezvoltat astfel încât să poată suporta operațiunile de balast prevăzute în figură 5.1. Nava necesită o parte superioară a tancului ceva mai înaltă pentru a permite montarea unui volum adecvat pentru compartimetele de balast, sub pescajul de balast, necesitând o adâncime mai mare a chilei, pentru putea menține capacitatea navei de încarca mărfuri ușoare, precum grâul. Conceptual de nava ballast-free include și caracteristici de minimizare a acumulării de sedimente în cadrul compartimentelor de balast și facilitează curățirea lor corespunzătoare, fiind mult mai ușor de curățat, compartimentele având o înălțime de 2,4 metri, iar eliminarea sedimentelor în partea inferioară este astfel mult mai ușoară.

Figura 5.1: Secțiune transversală printr-un vrachier de tip Seaway convențional (stânga) și un vrachier de tip ballast-free (dreapta)

Așa cum a fost menționat, cercetarea inițială asupra conceptului navei de tip ballast-free a fost limitat de către scopul său comprehensiv, dar și de bugetul alocat care era limitat. Din motive bugetare a fost fezibilia doar efectuarea testelor pe modelul care era existent. Deși tipul de nava care era de interes crucial pentru zona Marilor Lacuri și pentru fenomenul de introducere al speciilor neindigene în această zonă, era un transportator de marfă vrac de dimensiune Seaway, cel mai bun model disponibil în acel moment era o navă de tip LASH. Modelul existent a fost modificat pentru a putea utilize un model de pupă a navei mai convențional, însă rezultatele testelor efectuate pe model nu au fost direct aplicabile pe modelul de navă de tip vrachier Seaway care a fost studiat în detaliu de-a lungul întregului proces de cercetare.

Figura 5.2 Dispunerea tipică a flanșei de umplere și dispunerea compartimentului etanș de coliziune din prova

Figura 5.3 Dispunerea tipică pentru flanșa de aspirație din pupa navei

Restricțiile bugetare din faza inițială de cercetare a impus și că testele efectuate pe model să fie limitate la un singur proiect de sistem pentru modelul existent. Nu a existat oportunitatea de a optimiza designul hidrodinamic al sistemului pentru a minimize impactul economic al conceptului navei de tip ballast-free. Testele efectuate pe model și simulările CFD folosind modelul modificat de navă de tip LASH au demonstrat faptul că aspirația specifică de apă de balast și locațiile de refulare a apei, cât și metodele testate din analiza inițială, au demonstrate faptul că rezistența crește cu un procentaj modest de 2.2 %, însă necesarul de putere de propulsie crește și el cu 7,4 %. Rezultatele specifice au implicat faptul că se înregistrează o modificare în ceea ce privește apa de balast din compartimentul de balast, odată la fiecare două ore, fenomen care corespunde cu intenția inițială a conceptului de navă de tip ballast-free. Cerința crescută de putere poate rezulta în faptul că trebuie montat un motor principal cu dimensiuni mai mari și va duce și la mărirea costurilor cu combustibil. În cadrul acestei analize s-a concluzionat că o optimizare hidrodinamică mai bună poate elimina mare parte, dacă nu chiar toate, cerințele crescute de putere necesare propulsiei navei.

5.3. DESCRIEREA GENERALĂ A PROCEDURII DE DESIGN

A fost proiectat o navă tipică de tip vrachier din categoria Seaway, folosindu-se datele colectate de la nave similare. Navele prototip au fost vrachierul “Isa” deținut de compania poloneză “Steamship” (PZM Polsteam), care este prezentat în figură 5.4, dar și un vrachier proiectat de șantierul navala Jiangnan din China.

Figura 5.4: Vrachierul polonez “Isa” deținut de compania Polsteam

Datele hidrostatice ale navei sunt foarte similare cu datele vrachierelor tipice de dimensiuni similare. Viteza de servici a navei va fi 14,5 noduri, care generează o valoare de 0,175 pentru numărul Froude. Viteza navei când naviga în condiții de balast va fi de 15,5 noduri, care va duce la valoarea de 0,185 pentru numărul Froude corespunzător. Zona din pupa navei a fost proiectată astfel încât să asigure o zonă liberă specifică dintre chila navei și elice. În acest scop au fost folosite prevederile trasate de societatea de clasificare Det Nordske Veritas (DNV). Particularitățile principale ale navei de tip ballast-free sunt sumarizate în cadrul tabelului 5.1.

Testarea modelului menționat va fi efectuată cu nava care se va afla în condiții de balast. Un pescaj pentru navigația în condiții de balast și în condiții meteo grele corespunde cu o valoare de 40% din linia de încărcare de vară la perpendiculară din prova și 70% din linia de încărcare pentru perpendiculară din pupă. Caracteristicile tehnice ale navei în condiții de balast sunt sumarizate în tabelul 5.2.

Tabelul 5.1: Caracteristicile principale ale vrachierului de tip ballast-free

Tabelul 5.2: Caracteristicile tehnice ale navei de tip vrachier ballast-free în condiții de balast

Chila navei de tip vrachier ballas-free a fost proeictata de Maxsurf [în Formation Design System din 2003]. Liniile navei sunt prezentate în figurile 5.5 până la 5.7.

Figura 5.5: Liniile de plan pentru corpul navei de tip vrachier ballast-free

Figura 5.6: Vedere din profil pentru navă de tip vrachier ballast-free

Figura 5.7: Vedere a planurilor navei de tip vrachier ballast-free

5.4. CONSTRÂNGERILE CE APAR LA CONSTRUCȚIA MODELULUI

Construcția modelului navei ce va fi testat în tancul de remorcare trebuie să îndeplinească anumite cerințe care reies din procedurile experimentale și din echipamentele disponibile de testare. Testele efectuate pe model vor fi efectuate în bazinul de remorcare din cadrul Laboratorului de Hidrodinamică al Universtiatii din Michigan (MHL). Dimensiunile bazinului de remorcare sunt specificate în tabelul de mai jos.

Tabelul 5.3: Dimensiunile tancului de remorcare de la MHL

O contrangere semnificativă din cadrul procedurii experimentaleo reprezintă interferenta dintre pereții laterali și fundul tancului, cât și câmpurile de presiune și sistemul de valuri generat de mișcarea navei model. Acest lucru este denumit uzual ca și termenul de “efect de blocaj” și rezultatele totale ale măsurătorilor rezistenței, cât și erorile din aceste calcule (mărirea artificială). Ca și regulă generală acesta secțiune transversală trebuie să aibe o suprafață de 1/200 din secțiunea transversală a bazinului (în termini raportați la lățimea tancului și la adâncimea apei). Totuși, dacă numărul lui Froude are valori relativ mici (sub 2,0), rezistenta la văl nu va reprezenta o porțiune mare din rezistență totală, astfel, factorii de corecție putând fi introduși în procedurile de calcul atunci când se folosesc modele mai mari.

Dacă nava analizată va opera în ape adânci relativ mari trebuie să fie simulate o situație similară în cadrul experimentelor din cadrul bazinului experimental. Funcționarea în ape puțin adânci este considerată, în general, ca un factor care mărește rezistenta la înaintare. Ca și regulă generală raportul rădăcinii pătrate a suprafeței secțiunii transversale dintre adâncimea bazinului de remorcare nu trebuie să depășească valoarea de 0,25.

5.5. ALEGEREA MODELULUI DE ALEGERE A ELICII ȘI FACTORUL DE SCALARE GEOMETRICĂ

Un parametru foarte important constă în determinarea factorului de scalare geometrică a modelului în funcție de elicile disponibile în stoc. Două elici din stocul MHL (Nr. 10 și Nr. 23) au fost luate în considerare în timpul analizei propulsiei. Cerințele în materie de propulsie au fost bazate pe modul rezistenței Holtrop și pe estimările coeficienților de propulsie. Rezistența totală a vrachierului de tip ballast-free în condiții de încărcare plină a fost estimată la valoarea de 573 kN. Coeficienții de propulsie au fost și ei estimați folosind formulele empirice Holtrop. Acestea au fost utilizate ca și valori de intrare pentru analizele elicii.

Forța de împingere și torsiunea corespunzătoare raportate la coeficientul de înaintare (Kt, Kq – J) ale elicii sunt folosite în cadrul acestei analize. Rezultatele au prezentat faptul că modelul de elice Nr. 23 asigura o eficiența cu caracteristici propulsive mult mai eficiente (0,55), presupunând că diametrul elicei la scara întreagă este de 6,0 metri. Valoarea corespunzătoare a raportului de scalare este de λ = 37,92, valoare care este în intervalul acceptabil, în funcție de constrângerile de proiectare. Aceste dimensiuni vor duce la crearea unui model cu o lungime pe linia de plutire de 5 m. Valoarea concretizată a cavitației este estimată ca fiind cu mult sub limita superioară a elicelor navelor comerciale. Caracteristicile elicii Nr. 23 sunt sumarizate în tabelul de mai jos. Caracteristicile modelului sunt demonstrate mai departe în tabelul 5.2.

Tabelul 5.4: Caracteristicile Elicii din Stocul MHL Nr. 23

Tabelul 5.5: Caracteristicile tehnice ale modelului navei vrachier de tip ballast-free

Nivelul curgerii laminare de-a lungul navei alese ca model care corespunde cu factorul de scalare menționat și viteza modelului este egal cu 9% (la lungimea acestui model). Pentru a simula turbulenta într-un punct aflat mai aproape de punctul de stagnare din prova la nava la scara întreagă se vor atașa benzi de nisip sau fire de corpul navei model.

5.6. ANALIZA DINAMICII FLUIDELOR COMPUTERIZATE (CFD) PENTRU CURGEREA EXTERNĂ

Codul care se găsește și în comerț, FLUENT, a fost utilizat pentru a studia curgerea externă din jurul corpului navei de tip vrachier ballast-free care se afla în condiții de balast. Viteza modelului la scara este de 1,295 m/s, care a fost calculate prin estimarea numărului Froude. Soluția obținută a fost demonstrată prin faptul că este dependentă de discretizare. Modelul de turbulență k-e a fost utilizat în cadrul acestor calcule. Curgerea din jurul chilei a fost aproximată ca fiind dependenta de funcțiile de tip perete. Discretizarea computerizată va fi executată cu o mesă ce conține 1507546 de celule. Curgerea analziata este corespunzătoare unui soluții model, suprafața liberă va fi ignorată iar planul apei este considerată ca fiind un plan de simetrie.

Soluția CFD convergenta poate fi utilizată pentru a calcula rezistenta chilei, care constă în coeficientul de fregare și presiunea care o are configurația. Coeficientul de frecare la înaintare în jurul corpului navei este estimat prin intermediul formulelor semiempirice adoptate de Conferință Internațională a Bazinelor de Remorcare (ITTC). Valoarea computerizată este foarte apropiată de valoarea semiempirica. Forța de frecare a formei chilei reprezintă o mică parte din valoarea totală a forței de frecare. Folosirea unui model dublu de curgere permite computerizarea factorului de formă, care este calculat că raportul dintre forța totală de frecare și factorul de frecare estimat de ITTC. Valoarea computerizată este rezonabilă atunci când se raportează la nava de tip vrachier fără balast. Rezultatele sunt prezentate centralizat în tabelul 5.6.

Taelul 5.6 : Calculele de rezistență pentru modelul la scara al anvei de tip vrachier ballast-free

Un aspect important al conceptului de nava vrachier de tip ballast-free o reprezintă locația în care sunt amplasate aspirațiile și refulările pentru planul navei. Diferența constantă de presiune dintre cele două locații va genera curgerea lină a apei de-a lungul direcției longitudinale din compartimentele de balast. Raportul de volum este proporțional cu rădăcina pătrată a diferenței de presiune. A fost demonstrate faptul că, cu cât este mai mare nivelul de presiune cu atât este mai mică durată necesară pentru eliminarea apei din compartimente. Contururile de presiunea procesate în mod computerizat în zonele prova și pupa sunt prezentate în figurile 5.8 și 5.9.

Contururile de presiune din zona prova a navei prezintă faptul că presiunea este mai mare într-o zonă restrânsă în zona bulbului. Totuși, începând cu perpendiculară din prova, curgerea va fi relativ lină, iar presiunea va fi mică, acest lucru fiind valabil și pentru gradientele de presiune. Acest lucru poate fi observat și în figură 6.3 în care sunt reprezentați grafic vectorii de viteză din zona prova. Direcțiile de curgere vor reduce nivelul valului generat în prova navei, mai ales în zona bulbului. Cel mai consistent dezavantaj o constă poziționarea flanșei de aspirație a apei în zona prova, din timp ce presiunea pozitivă este limitată doar într-o zonă foarte mică, începând dintr-un punct de stagnare, care se extinde înspre pupa pe o lungime de aproximativ 6% pe suprafața liniei de plutire.

Figura 5.8: Contururile de presiune ai vectorilor de viteză în zona prova a modelului navei de tip vrachier ballast-free

Figura 5.9: Contururile de presiune ai vectorilor de viteză în zona prova a modelului navei de tip vrachier ballast-free

Zona din pupa este guvernată de presiunea de aspirație, care are o valoare de vârf aproape de racordurile santinei, chiar înainte de bulbulul navei. O regiune de presiune pozitivă semnificativă se înregistrează deasupra zonei bulbului din pupa navei, ca și în cazul menționat anterior. Nu se observă nicio formă de separare în cazul reprezentării grafice a vectorilor de viteză din figura 5.10. Locația flanșei din pupa va fi foarte aproape de regiunea din pupa, aflată aproape de camera mașinilor (la distanță aproximativă de x/L = 0,92) dar și deasupra zonei dublului fund din pupă (la 2,4 metri față de chilă).

Figura 5.10: Vectorii de viteză din zona pova a modelului de navă de tip vrachier ballast-free

Figura 5.11: Vectorii de viteză din zona pupa a modelului de navă de tip vrachier ballast-free

5.7. ANALIZA CFD A CURGERII ÎN INTERIORUL COMPARTIMENTULUI DE APĂ DE BALAST DE TIP BALLAST-FREE

Curgerea în interiorul compartimentului de apă de balast de tip ballast-free a fost analizată în ambele cazuri, atât în cazul modelului, cât și în cazul navei la scara întreagă. O configurație tipică de acest tip de nava dotată cu un compartiment de balast a fost generată, iar condițiile corespunzătoare de limitare a presiunii, așa cum a fost calculată din cadrul simulărilor curgerii externe, fiind concentrate pe zonele de aspirație/refulare. Flanșa de aspirație din prova a fost localizată la o distanță de x/L = 0,04 între punctele 0,2 și 0,35 de-a lungul liniei de plutire. Flanșa de refulare din pupa a fost localizată la distanță x/L = 0,925 între punctele 0,3 și 0,45 de-a lungul liniei de plutire.

Distribuirea de presiune a fost presupusa ca fiind similară în ambele cazuri, atât în cazul navei model, dar și în cazul navei la scara întreagă. Această presupunere a fost efectuată fiind justificată de către faptul că numărul Reynolds este relativ mare în ambele cazuri, iar corpul navei la pescajul de balast este în direcția liniei de curgere, având o formă cu un coeficient redus de frecare. Discretizarea computerizată a unei mesei hibrid este compusă din 705915 celule. S-a presupus faptul că toate cele trei compartimente de balast au fost umplute cu apă, iar curgere în aceste tancuri este naturală, fiind generată de apă nouă care intră în aceste compartimente prin intermediul flanșei de aspirație. Raportul de curgere din zonele flanșelor de aspirație și refulare au fost monitorizate până când acestea vor converge la o valoare constantă, fapt care a fost și observat la un moment dat. Rezolvatorul FLUENT, pentru curgerea instabilă a fost utilizat cu un pas temporal de simulare egal cu 1 secundă. Soluția la fiecare pas temporal a fost cosiderata ca fiind convergenta atunci când presiunile reziduale scade cu patru ordine de intensitate. Geometria modelului computerizat al structurii de tip dublu fund este prezentată în figură 5.12.

Figura 5.12: Modelul geometric computerizat al structurii dublului fund al navei

Rata volumului de curgere pentru navă la scara întreagă este egal cu 0,969 m3/s. Soluția pentru modelul navei la scara vă avea un raport al volumui de curgere de 1,02 X 10-4 m3/s. Raportul corespunzător este de aproximativ 9500. Acest rezultat corespunde cu factorul de scalare din modelul navei la scară și modelul navei la scara întreagă, în care Qs = Qm λ5/2 , care derivă în mod teoretic din analiza inițială a conceptului de navă de tip ballast-free, baza scalarii prin folosirea numărului Froude. Aceasta scalare implica presupunerea că scalarea debitului de curgere ar trebui să fie proporțional cu factorul de scalare care ajunge la o valoare de 2,5. Exponentul corespunzător al factorului geometric de scalare este bazat pe rezultatele simulărilor numerice CFD, iar rezultatul sau a fost de aproximativ 2,52.

5.8. CONSTRUCȚIA MODELULUI

Modelul navei de tip vrachier ballast-free de dimensiuni Seaway care a fost folosit în cadrul testării optimizării hidrodinamice a fost construit prin contractarea firmei FM Pattern Works din North Vancouver, BC. Acesta este modelul principal livrat pentru proiect, iar procurarea sa a implicat cheltuirea a aproximativ jumătate din fondurile allocate proiectului de cercatare. Modelul era în stadiu de construcție în momentul analizei inițiale, însă acest model la scară, cu o lungime de 5 metri va fi gata în octombrie 2006. În figurile 8.1 și 8.2 sunt prezentate diferite stadii de construcție ale modelului de navă, atenția fiind concentrată pe partea din prova și partea din pupa a modelului din lemn.

Figura 5.13: Zona din pupa a modelului de nava de tip vrachier ballast-free de dimensiune Seaway – Vederea Sectiunii Sfertului Prova Inversat

Figura 5.14: Zona din pupa a modelului de nava de tip vrachier ballast-free de dimensiune Seaway – Vederea Sectiunii Laterale Pupa Inversate

5.9. IMPACTUL ECONOMIC POTENTIAL PENTRU REZULTATELE STUDIULUI

Optimziarea hidrodinamica a Conceptului de nava “Ballast-Free” anticipeaza faptul ca se va inregistra o reducere de putere foarte mica, chiar neglijabila. In acest caz, va rezulta o economisire in materie de RFR care va alterna cu metodele de tratare a apei de balast, cum ar fi filtrarea sau tratementul UV, care pot atinge valori de 0,20 $ per tona de marfa. Conceptul ar trebui sa asigure si o protectie superioara impotriva introducerii speciilor acvatice nonindigene in apele costiere ale Marilor Lacuri.

CONCLUZII

Concluzii numerice

Prezenta lucrare prezintă analiza sistemului de balast free de la bordul navei ca o alternativă a sistemului clasic de balast existent în prezent. Astfel primul capitol prezintă analiza unui sistem hibrid de balast realizat în practică la bordul navei.

Nava aleasă are o lungime de 189,99 m, o lățime de 32,26 m, o înălțime de contrucție de 17,00 m, pescajul acesteia este de 12,02 m. Propulsia navei este asigurată de un motor MITSUI 6 S50-MC cu o putere de 7800 kW la 116 rot/min. Diesel-generatoarele navei sunt de 550 kVA în număr de 3 bucăți. Capitolul doi face o analiză pe rând a următoarelor echipamente: centrala electrică, pompele centrifuge de la bord, instalația de guvernare, instalația de ancorare, instalația de salvare, instalația de combustibil, sistemele de ungere și răcire.

Capitolul trei face o analiza a sistemului de balast în general prezentând: cerințele impuse instalației, operațiunile de balastare-debalastare, componența instalației, funcționarea instalației, instalația de balast zona de marfă, automatizarea instalației.

Capitolul patru prezintă analiza sistemului de balast clasic de la bordul navei. Ca urmare a studiului și calculului efectuate, se pot desprinde urmatoarele concluzii:

La instalația de balast:

pierderea totală de sarcină pe aspirația pompei de balast este de 5.5 mCA;

pierderea de sarcină pe magistrala de balast cu diametrul calculat și adoptat conform STAS (0.25 m) este 3.6 mCA;

pierderea de sarcină pe ramificație, cu diametrul calculat și adoptat conform STAS (0.20 m) este 1.9 mCA;

pierderea de sarcină pe refularea pompei de balast este 2.6 mCA și are valoarea sub sarcina hidrostatică calculată – 3.5 mCA;

pierderea totală de sarcină calculată pentru debalastarea tancului picul prova cu refulare peste bord este 11.6 mCA.

Firma constructoare a navei ce face obiectul acestui studiu (vrachier de 55000 tdw) a optat pentru dotarea instalației de balast cu un număr de 2 pompe centrifugale cu un debit maxim de 700 m3/h fiecare, o înălțime de aspirație de 6 mCA, o inălțime de refulare de 17-35 mCA și cu diametrul flanșelor de aspirație și refulare de 0.3 m.

Rezultatele se încadrează în cerințele și recomandările Registrelor de Clasificare, precum și în parametrii constructivi ai sistemului.

Capitolul cinci face o analiza practică a sistemului de balast cu curgere liberă plecând de la studiile realizate la Univesitatea din Michigan. Din studii se poate observa următoarele rezultate: coeficientul forței de frecare la înaintare(FLUENT) – 3,32 X 10-3, coeficientul forței de frecare la înaintare (ITTC)- 3,31 X 10-3, coeficientul de frecare prin presiune (FLUENT) – 0,45 X 10-3, coeficientul total de frecare (FLUENT) – 3,77 X 10-3, Factorul de forma k – 0,139.

Optimizarea hidrodinamica a Conceptului de nava “Ballast-Free” anticipeaza faptul ca se va inregistra o reducere de putere foarte mica, chiar neglijabila. In acest caz, va rezulta o economisire in materie care va alterna cu metodele de tratare a apei de balast, cum ar fi filtrarea sau tratementul UV, care pot atinge valori de 0,20 $ per tona de marfa. Conceptul ar trebui sa asigure si o protectie superioara impotriva introducerii speciilor acvatice nonindigene in apele costiere ale Marilor Lacuri.

Contribuții personale:

Am realizat un studiu introductiv privind sistemul de balast cu curgere liberă.

Am realizat un studiu privind principalele dimensiuni și instalații de la bordul navei vrachier.

Am realizat un studiu privind calculul instalației de balast de la bordul navei.

Am prezentat un studiu comparativ privind folosirea balastului cu curgere liberă și utilizarea acestuia în practică.

Chestiuni neabordate:

Nu am realizat un calcul acționarea electrică a pompelor de balast.

BIBLIOGRAFIE

Novac Iordan , “Instalații navale speciale”, Editura EXPONTO, 2004, Constanța.

Iordan Novac, Dinamica generală a oscilațiilor navei și determinarea sistemului de amortizare pasiv –teză de doctorat,Galați 2001.

Bidoae I., Sârbu N., Chiricã I., Ionaș O. – Îndrumar de proiectare pentru teoria navei, Universitatea din Galați, 1986

Ioniță C., Apostolache J, Instalații navale de bord, Editura Tehnică, București, 1986;

Lungu A., Raport de Cercetare Grant: Produse software pentru optimizarea formelor carenelor navale;

Maier, V., Mecanica și construcția navei. Editura Tehnică București, 1989, vol 3, p. 493;

Maier V., Mecanica și construcția navei, Editura Tehnică București, vol. 2,1985;

Patrichi I., Exploatarea și repararea instalațiilor și sistemelor navale, Constanța 2000;

Alexandru, C., Mașini și instalații navale de propulsii, Editura Tehnică, București, 1991 ;

Anton, V., Popovici, M., Fitero, I., Hidraulică și mașini hidraulice, Editura București, 1979;

Ceanga, E., Automatizări navale-Note de curs, Universitatea Dunărea de Jos, Galati, 1997

Cheng, M., M., Hydrodynamic Aspect of Propeller design Based on Lifting Surface Theory, TNB Reg. 1802, 1984;

Gofman, A., Complexul de propulsie-guvernare si manevrabilitatea navelor, Sudostroienie, 1989;

Ioniță, I. C., Apostolache, J., Instalații navale de bord – Construcție și exploatare, Editura Tehnică București, 1986 ;

Marin, V., Sisteme hidraulice de acționare și reglare automată, Editura Tehnică, București 1981;

Mazilu, I., Marin, V., Sisteme hidraulice automate, Editura Academiei R.S.R. 1982;

Oprean, A., Automatizări hidraulice. Elemente si sisteme., Editura Tehnica, București, 1982;

Tornblad, I., Marine Propeller and Propulsion of Ship, KaMeWa, pub. 1989

*** Principles of naval architecture – Second revision, (vol I). Stability and strenght, S.N.A.M.E., NJ, 1988;

http://enwikipedia.org/wiki/ss_Conti_di _Savoia

Manualul de operare și întreținere a stabiliozarorelor si ulterior manulul suplimetar de modernizare a stabilizatoarelor, de pe nava Carnival Sensation.

https://www.marineinsight.com/marine-safety/what-is-anti-heeling-system-on-ships/

http://norrsystemskorea.com/anti-heeling-deck-machineries/?ckattempt=1

http://www.mowemo.com/anti-heeling-propulsion-systems

https://www.wartsila.com/encyclopedia/term/intering-anti-heeling-systems

https://www.sander-marine.com/systems/anti-heeling

http://www.pandelta.com/marine-offshore-products/anti-heeling-system

http://www.mesongroup.com/_Resources/Persistent/149a2ade078318ae4144d79f01552a0e67d52a7d/sander_sanheel_broshure.pdf

http://www.mowemo.com/anti-heeling-propulsion-systems

https://ibn.idsi.md/sites/default/files/imag_file/41_47_Amortizarea%20balansarii%20navelor%20maritime.pdf