Nava Tip Tanc Petrolier de 40740 Tm. Studiul Posibilitatii Incalzirii Marfii cu Ajutorul Energiei Solare

PROIECT DE DIPLOMĂ

Navă tip tanc petrolier de 40740 tm. Studiul posibilității încălzirii mărfii cu ajutorul energiei solare

REZUMAT

Lucrarea de licență „Navă tip tanc petrolier de 40740 tm. Studiul posibilității încălzirii mărfii cu ajutorul energiei solare” are ca scop dimensionarea preliminară a unui schimbător de căldură ce folosește energie solară pentru a preîncălzi apa tehnică ce intră tancul de marfă pentru al aduce la temperatura recomandată astfel încât marfa să poată fi vehiculată cât mai ușor.

Lucrarea a fost structurată pe mai multe capitole, după cum urmează:

În primul capitol este prezentat conceptul de transport a mărfurilor lichide în vrac, un scurt istoric al acestui tip de transport și avantajele și dezavantajele acestei forme de transport.

Capitolul al doilea prezintă calculul rezistenței la înaintare a navei de referință, cuprinzând elemente de calcul și proiectare și finalizându-se cu reprezentarea grafică a rezistenței la înaintare.

În capitolul trei sunt prezentate diferitele tipuri de surse de energie, punându-se accent pe energie solară și prezentându-se diferitele moduri în care această energie regenerabilă poate fi folosită la bordul navelor.

În capitolul patru se face o scurtă clasificare a schimbătoarelor de căldură, după care se prezintă schimbătorul de căldură spiral pentru ca în final să se facă o scurtă prezentare a algoritmului de calcul al acestui tip de schimbător.

Capitolul cinci prezintă calculul de dimensionare al unui schimbător de căldură ce trebuie să încălzească apa tehnică ce are rolul de a încălzi tancul de marfă la temperatura recomandată.

ABSTRACT

Trough the project “Crude oil tanker over 40740 tm. The study of posibility to warm cargo tanks with solar energy” which has the purpose of preliminary sizing of a heat exchanger which use solar energy to preaheat fresh water before entering in cargo tanks to increase the temperature at required level such as the cargo can be handled as easy is possible.

The content of this paper is structured for five chapters:

The first chapter presents the concept of crude oil tankers transport history, advantage and disadvantage for this type of vessel.

The second presents the calculation of resistance to progess an towing power.

The third chapter presents different types of energy resurse with the accent of solar energy and presenting different types of renewable energy which can be use onboard.

The fourth chapter presents a short classification of different type of heat exchangers, after presenting the spiral heat exchanger ending with a short description of this type of heat exchanger algorithm.

The final chapter of this paper presentation describe the heat exchanger’s sizing algorithm which has to increase the temperature of fresh water with the purpose of warming up the cargo tanks at required temperature.

CUPRINS:

Capitolul 1 – Transportul mărfurilor lichide în vrac. Evoluția navelor de tip tanc petrolier

1.1 Generalități

1.2 Evoluția navelor tip tanc petrolier

1.3 Caracteristicile petrolului

Capitolul 2 – Prezentarea navei în studiu. Calculul rezistenței la înaintare

2.1 Particularități de proiectare și construcție

2.2 Descrierea generală a navei

2.3 Determinarea rezistenței la înaintare principale prin metoda seriei japoneze

2.4 Determinarea rezistenței de frecare

2.5 Determinarea rezistenței de presiune

2.6 Determinarea rezistenței la înaintare datorată apendicilor

2.7 Determinarea rezistenței la înainatare generată de valurile mării

2.8 Determinarea rezistenței la înaintarea datorată aerului

2.9 Determinarea rezistenței la înaintare principală și suplimentară

2.10 Determinarea rezistenței la înaintare totale și a puterii de remorcare

Capitolul 3 – Instalații de încălzire a mărfii

3.1 Scop și aranjament

3.2 Instrucțiuni pentru operarea sistemului de încălzire

3.2.1 Pornire și funcționare

3.2.2 Oprire și Stingere

Capitolul 4 – Utilizarea surselor de energie regenerabilă la bordul navelor

4.1 Principalele tipuri de surse de energie

4.2 Energia solară. Utilizarea energiei solare. Panouri fotovoltaice. Panouri solare termice

4.3 Energie solară la bordul navelor

Capitolul 5 – Schimbătoare de căldură folosite pentru încălzirea mărfii la navele de tip tanc petrolier

5.1 Aspecte generale

5.2 Schimbătoarele de căldură spirală

5.2.1. Particularități funcționale

5.2.2. Avantajele prezentate de schimbătoarele de căldură în spirală

5.2.3. Moduri de curgere ale fluidelor de lucru

5.2.4. Calculul termic

5.2.5. Elemente constructive și dimensional

5.2.6. Elementele de calcul .Caracteristici tehnice

5.3 Dimensionarea schimbătorului de căldură în spirală

Concluzii

Bibliografie

Capitolul I

Transportul mărfurilor lichide în vrac. Evoluția navelor de tip tanc petrolier

Generalități privind transportul mărfurilor lichide în vrac

Mărfurile sunt transportate pe mare cu nave de diferite dimensiuni si cu foarte multe diferențe în ceea ce privesc caracteristicile tehnico-constructive. Cu toate că tipurile de nave sunt bine definite, este extrem de dificil a împărți navele în categorii distincte și a spune că un anumit tip de navă se folosește pentru transportul unui anumit tip de marfă. Cele mai multe nave sunt construite astfel încât să ofere o cât mai mare flexibilitate armatorilor și să poată transporta cât mai multe tipuri de marfă. Clasificarea navelor în diverse categorii se face în funcție de caracteristicile constructive cu toate ca și această viziune are limitele ei deoarece nu se poate deosebi un tanc petrolier pentru produse petroliere nerefinate de unul de produse albe (benzină, motorină, etc.), chiar dacă ele sunt deseori folosite pentru a transporta un singur tip de marfă.

Lloyds Register of Shipping împarte navele în 16 categorii în funcție de principalele caracteristici constructive. Primele 4 categorii de nave (tancuri petroliere, nave pentru mărfuri în vrac, nave cargou și nave port-container) reprezintă 78% din totalul tonajului existent. Următoarele 8 categorii cuprind nave specializate dintre care cele mai importante sunt vrachi11erele combinate OBO (ore bulk oil) sau OO (ore-oil), tancurile chimice, nave pentru transport gaze lichefiate, navele ro-ro și navele pentru transport produse refrigerate.

Pe lângă caracteristicile constructive, în analiza ofertei de tonaj trebuie avut în vedere și faptul că navele au o durată de exploatare cuprinsă între 20 și 30 de ani și ca urmare la un moment dat pe piață se găsesc nave cu caracteristici tehnice specific tehnologiei din momentul construcției lor. În ultimi ani, pe fondul dezvoltării tehnologice și introducerii proceselor tehnice, design-ul navelor a avansat spectaculos. Patru aspecte ale aceste evoluții merită o atenție deosebită:

-dezvoltarea tehnologiilor de construcție;

-creșterea capacității de transport a navelor;

-apariția navelor specializate;

-progresul mijloacelor portuare de operare.

Fiecare dintre acestea a jucat un rol important în dezvoltarea unui sistem de transport eficient. Dintre procesele tehnice pot fi menționate următoarele:

-construirea de corpuri metalice pentru nave acționate de motoare cu abur;

-înlocuirea motoarelor cu abur cu motoare diesel;

-trecerea de la sistemul de nituire a corpurilor navei la utilizarea sudurii;

-apariția unor sisteme moderne de închidere a capacelor, instalații de încărcare și echipamente de navigație;

-proiectarea asistată pe calculator a redus cu 30% cantitatea de metal utilizată pentru construcția unei nave, iar creșterea calității vopselelor navale a redus coroziunea și rezistența la înaintare datorată frecărilor.

O altă particularitate importantă a evoluției construcțiilor de nave este aceea că de-a lungul timpului, a crescut în mod exponențial capacitatea de transport a acestora. Creșterea capacităților navelor este strâns legată de dezvoltarea mijloacelor moderne de operare portuară și nu întâmplător navelor a căror capacitate de transport a crescut foarte mult sunt navele petroliere și navele pentru transportul mărfurilor în vrac.

Cel mai reprezentativ exemplu este industria petrolieră unde capacitatea medie de transport a crescut de la 4.000 la 90.000 tone deadweight de-a lungul secolului al XX-lea. La început creșterea a fost lentă, tancul Narraganset de 12.000 tdw a fost construit în anul 1920 și până la sfârșitul anilor ’40 a fost considerat ca având o capacitate de transport acceptabilă. La sfârșitul celui de-al doilea război mondial, cel mai mare tanc petrolier avea o capacitate de 23.814 tdw, însă în anii ’50 capacitatea tancurilor petroliere a crescut rapid ca urmare a închiderii Canalului de Suez în 1956 și a creșterilor importurilot de produse petroliere ale Japoniei. În 1959 cel mai mare tanc petrolier era Universe Apollo cu o capacitate de 122.867 tdw, în 1966 a intrat în exploatare prima navă VLCC (Very Large Crude Carrier) Idemitsu Maru cu o capacitate de 206.106 tdw, iar în 1968 a intrat în exploatare prima navă ULCC (Ultra Large Crude Carrier) Universe Ireland 326.585 tdw. Această creștere rapidă a capacitățiilor tancurilor petroliere a atins un maxim în 1980 când a intrat în exploatare nava Seawise Giant cu un deadweight de 555.843 tdw. Această creștere a capacității de încărcare a navelor a avut o influență foarte mare asupra costurilor unitare de transport, reducându-le cu cel puțin 75%.

Evoluția navelor tip tanc petrolier

Navele petrolier sunt construite și amenajate pentru a putea transporta produse petroliere direct în magaziile navei, magazii care poartă denumirea de tancuri (cisterne). De regulă, navele petrolier transportă benzină, țiței, petrol, motorină, uleiuri grele.

Fig. 1.1 Dimensiunea medie a tancului petrolier 1900-1997

(http://books.google.ro)

Creșterea rapidă a consumului de combustibil lichizi la nivel mondial și distanțele mari dintre zonele de extracție, prelucrare a țițeiului și zonele de consum au determinat o dezvoltare considerabilă a acestui tip de navă, tendința fiind spre supertancuri, ajungându-se la capacități de încărcare de până la 4000000 tdw.

În iunie 1859 este construită prima platformă de extracție în Pennsylvania.

În 1861 este realizat primul transport full cargo țiței traversând Atlanticul cu nava “Elizabeth Watts”.

Între anii 1869-1872 nava Charles de 800 tdw a executat transportul de petrol între America și Europa în aproximativ 60 de recipiente rectangulare din oțel fiecare având o capacitate de aproximativ 13 tone. Practic cargourile au fost transformate în nave pentru transportul țițeiului. Descărcarea petrolului se făcea manual, operațiune dificilă, greoaie și suficent de periculoasă. Cu timpul dimensiunile tancurilor au crescut până când au ajuns la dimensiunea magaziilor în care erau transportate, apărând problema manipulării mecanice a produselor petroliere.

Astfel în 1886 în Anglia a fost construită nava “Gluckhauf” – cu lungime de 91 m și capacitate de transport de circa 3500 tone – acționată cu vele și cu o mașină alternativă cu triplă expansiune plasată în extremitatea pupa- considerate prototipul tancului modern.

Armatorii nu au luat în considerare de la bun început construirea de nave specializate pentru transportul lichidelor, continuând transformarea cargourilor în tancuri, fără a lua în considerare efectul negativ al suprafețelor libere ce compromiteau stabilitatea transversală.

Ca o primă măsură de reducere a efectului suprafețelor libere a fost introducerea unui perete longitudinal în planul diametral pe toată lungimea tancului, măsură urmată la scurt timp de construirea puțului de expansiune în partea superioară a tancului, cu menținerea peretului diametral de separație.

Odată cu 1920 în evoluția constructivă a tancurilor petroliere apare o altă noutate și anume amenajarea în partea superioară a cargotancurilor a unor tancuri de dimensiuni reduse, denumite tancuri de vară, ce permiteau navelor să transporte o cantitate mai mare de marfă atunci când navigau la linia de încărcare de vară și puteau fi menținute goaleul transport full cargo țiței traversând Atlanticul cu nava “Elizabeth Watts”.

Între anii 1869-1872 nava Charles de 800 tdw a executat transportul de petrol între America și Europa în aproximativ 60 de recipiente rectangulare din oțel fiecare având o capacitate de aproximativ 13 tone. Practic cargourile au fost transformate în nave pentru transportul țițeiului. Descărcarea petrolului se făcea manual, operațiune dificilă, greoaie și suficent de periculoasă. Cu timpul dimensiunile tancurilor au crescut până când au ajuns la dimensiunea magaziilor în care erau transportate, apărând problema manipulării mecanice a produselor petroliere.

Astfel în 1886 în Anglia a fost construită nava “Gluckhauf” – cu lungime de 91 m și capacitate de transport de circa 3500 tone – acționată cu vele și cu o mașină alternativă cu triplă expansiune plasată în extremitatea pupa- considerate prototipul tancului modern.

Armatorii nu au luat în considerare de la bun început construirea de nave specializate pentru transportul lichidelor, continuând transformarea cargourilor în tancuri, fără a lua în considerare efectul negativ al suprafețelor libere ce compromiteau stabilitatea transversală.

Ca o primă măsură de reducere a efectului suprafețelor libere a fost introducerea unui perete longitudinal în planul diametral pe toată lungimea tancului, măsură urmată la scurt timp de construirea puțului de expansiune în partea superioară a tancului, cu menținerea peretului diametral de separație.

Odată cu 1920 în evoluția constructivă a tancurilor petroliere apare o altă noutate și anume amenajarea în partea superioară a cargotancurilor a unor tancuri de dimensiuni reduse, denumite tancuri de vară, ce permiteau navelor să transporte o cantitate mai mare de marfă atunci când navigau la linia de încărcare de vară și puteau fi menținute goale când se naviga la linia de ăncărcare de iarnă.

Începând cu 1936-1937 s-au adoptat doi pereți longitudinali etanși având drept consecință diminuarea efectului suprafețelor libere precum și mărirea capacității de transport prin mărirea dimensiunilor tancurilor (având asigurată o structură de rezistență mai bună).

Sistemul de osatură a navelor petroliere s-a modificat odată cu restructurarea sistemului de compartimentare a acestora. În acest sens, s-a trecut de la sistemul de osatură transversală la sistemul de osatură longitudinală. În practica actuală, petrolierele se construiesc în sistem Isherwood modificat, ele fiind prevăzute cu dublu corp.

Din punct de vedere al pieței navlurilor tancurile se clasifică astfel:

-General Purpose Tankers (GPT) (Tancuri de interes general) – până la 24999 tdw

-Medium range (de capacitate medie) – 25000 la 49999 tdw

-Long Range 1 (LR1) – 45000 la 79999 tdw

-Long Range 2 (LR2) – 80000 la 159999 tdw

-Very Large Crude Carriers (VLCC) 160000 la 320000 tdw

-Ultra Large Crude Carrier (ULCC) peste 320000 tdw

Fig. 1.2 Dimensiunile tancurilor petroliere

(http://gatewaypanel.review-examen.gc.ca)

Tancurile de produse albe de regulă au sub 50000 tdw și au tancurile protejate cu vopsea epoxy, sistemul de pompare fiind de regulă sofisticat, putând manevra până la 12 produse simultan (sau chiar mai multe). LR1 și LR2 pot transporta produse albe și/sau negre, dar și țiței. VLCC și ULCC se folosesc exclusiv pentru transportul țițeiului.

Soluțiile constructive actuale trebuie să țină cont atât de cerințele de rezistență a structurilor cât și de prevederile legislațiilor în vigoare (SOLAS/MARPOL etc.)

1.3 Caracteristicile petrolului

Principala sursă pentru combustibilii lichizi este petrolul. Petrolul sau țițeiul (mineral oil, petroleum, crude oil) este un mineral sedimentar lichid format dintr-un amestec complex de hidrocarburi inflamabile, cu densitatea relativă între 0,8 și 1 t/m3 și cu un punct de aprindere scăzut, de 40oC. Are de asemenea un apreciabil coeficient de expansiune și emană în permanență gaze naturale, între care cel mai important este metanul (methane). Aspectul coloristic al țițeiului în general variază foarte mult de la un câmp petrolifer la altul, de la culoarea negru gălbui a lichidelor mobile, la culoarea neagră a țițeiurilor vâscoase sau semisolide. Toate țițeiurile conțin hidrocarburi, dar acestea se diferențiază între ele în funcție de masa moleculară, tipul și dimensiunile hidrocarburilor.

Unele țițeiuri au un conținut mai ridicat de constituenți parafinici, altele au un conținut mai ridicat de constituienți naftenici. Natura țițeiului se extinde și asupra produșilor fabricați. Țițeiurile naftenice sunt predispuse la formarea asfalților, în timp ce țițeiurile parafinice produc parafina.

În funcție de natura hidrocarburilor pe care le conțin, țițeiurile sunt împãrțite în trei mari categorii:

țițeiuri cu baza parafinică: cu un grad ridicat de parafină, care este solidã la temperatura mediului; foarte puține materii bituminoase dau o bună producție de parafină și uleiuri de ungere de calitate superioară;

țițeiuri cu baza asfaltică : cu conținut redus de parafină, dar care posedă cantități mari de materii asfaltice; din ele se obțin uleiuri de ungere cu o vâscozitate foarte sensibilă la temperatură dar care, prin metode speciale de rafinare, pot echivala cu cele parafinice;

țițeiuri cu baza mixtă : conțin, în proporție substanțială, atât materii parafinice cât și asfaltice, împreună cu anumite cantități de hidrocarburi aromatice.

Prin procesul de rafinare a petrolului rezultă produse petroliere albe (clean oils, white oils) și produse petroliere negre (black oils), între care cele folosite pentru propulsia navelor sunt: păcura (fuel oil), motorina (gas oil, diesel oil), benzina (gasoline), lubrifianții (lubricating oils) etc.

Hidrocarburile pot fi gazoase, lichide sau solide, la temperatură și presiune normală, în funcție de numãrul și dispunerea atomilor de carbon din moleculele lor. De regulă, hidrocarburile care au în componență mai puțin de patru atomi de carbon sunt gazoase; cele cu douăzeci de atomi sau mai mult sunt solide, iar cele cu un număr de atomi cuprins între aceste valori sunt lichide. Amestecurile lichide, ca de altfel majoritatea țițeiurilor, pot conține în soluție atât hidrocarburi gazoase, cât și solide.

Țițeiurile cu un conținut redus de solide pot rămâne în stare lichidă, chiar în condiții de temperatură scăzută.

Capitolul II

Prezentarea navei în studiu. Calculul rezistenței la înaintare

2.1 Particularități de proiectare și construcție.

Dificultățile de acces în porturile deservite și consecințele deosebit de grave, determinate de apariția unor eventuale avarii la corp au moderat tendințele spre gigantism în construcția navelor petroliere. Etapa actuală este caracterizată prin construcția unor petroliere de 80.000 … 150.000 tdw pentru transportul produselor rafinate.

La proiectarea și construcția petrolierelor trebuie să se țină cont de următoarele:

apariția solicitărilor dinamice suplimentare, determinate de forțele de inerție ale maselor de lichid transportate care pe timpul oscilațiilor navei efectuează mișcări neuniforme;

micșorarea stabilității inițiale transversale și longitudinale determinate de influența suprafețelor libere ale lichidelor ce se transportă;

modificarea volumului încărcăturii lichide transportate, datorate variațiilor de

temperatură;

accentuarea coroziunii structurilor din tancurile de marfă;

sporirea pericolului de incendii și explozii, determinat de prezența amestecului format din aer și vapori emanați de combustibilul lichid care se transportă.

sistemul general de osatură aplicat în construcția petrolierelor poate fi longitudinal (la navele cu L > 180 m) sau combinat (la navele cu L <180 m).

Recentele reglementări IMO cu privire la poluarea mediului marin impun obligativitatea utilizării în zona menționată anterior a planșeelor de fund cu dublu fund.

Planșeele de bordaj se pot construi în sisteme de osatură transversal sau longitudinal cu simplu bordaj sau cu dublu bordaj.

Planșeele de punte sunt construite în sistem de osatură longitudinal.

Petrolierele moderne au prevăzută o singură punte continuă în zona tancurilor de marfă (puntea principală).

Gurile de încărcare a mărfii au secțiunea circulară sau eliptică, de arie maximă de un metru pătrat. Ramele gurilor de încărcare au o înălțime de circa 0,75 m deasupra punții.

Capacele gurilor de încărcare trebuie să fie metalice și să asigure încărcarea ermetică a tancurilor de marfă. Fiecare capac este prevăzut cu doi robineți: unul pentru montarea capsulei termodinamice necesară măsurării presiunilor interioare iar celălalt pentru cuplarea tubulaturii de abur necesară încălzirii mărfii.

Numărul pereților longitudinali depinde de mărimea navei, astfel: la petroliere mici se prevede un singur perete, dispus în plan diametral; la petrolierele mijlocii sau mari se prevăd doi pereți dispuși lateral. Pereții longitudinali îndeplinesc următoarele roluri: micșorează efectul negativ al suprafețelor libere asupra stabilității transversale; participă la mărirea rezistenței corpului navei la încovoierea longitudinală; contribuie la o repartizare mai uniformă a tensiunilor normale pe lățimea punții fundului. În scopul ușurării operațiunilor de curățare a tancurilor de marfă osatura pereților longitudinali este plasată spre borduri (in interiorul tancurilor laterale).

Pentru a ușura evacuarea apei de pe punte, parapetul a fost înlocuit cu o balustradă

metalică, excepție făcând porțiunile ocupate de suprastructurile de la prova și pupa. De

asemenea, la unele petroliere se prevede o pasarelă care asigură circulația echipajului între

castelul pupa, castelul central și teugă. De regulă, pasarela este dispusă în plan diametral, la

înălțimea punților suprastructurilor pe care le leagă. Ea susține o parte însemnată din rețeaua de tubulaturi a instalațiilor de încărcare-descărcare și de încălzire a mărfii.

Figura 2.1 Vedere de ansamblu tanc petrolier.

Figura 2.2 Secțiune transversală într-un tanc de marfă.

2.2 Descrierea generală a navei

Proiectul face referire la o navă de tip tanc petrolier având următoarele caracteristici:

– tonaj: 40470 tdw;

– lungime: 228 m;

– lățime: 32 m;

– pescaj: 11 m;

– putere instalată: 12360 kW (16580 CP);

– viteză: 15 nd (17 mph);

– propulsie: motor MAN B&W 6S50MC-C cu o putere de 9480 kW (12719 CP) acționând direct o elice cu 4 pale cu ajutorul unui ax port-elice;

– 3 motoare auxiliare MAN B&W 6L23/30H cu o putere de 960 kW (1290 CP) fiecare;

– 14 pompe de marfă centrifugale acționate hidraulic marca Framo având următoarele capacități:

– 10 pompe cu o capacitate de 500 m3/h;

– 2 pompe cu o capacitate de 200 m3/h;

– 1 pompă cu o capacitate de 100 m3/h;

– 1 pompă portabilă cu o capacitate de 150 m3/h.

– 10 tancuri de marfă având următoarele capacități:

– 2 tancuri de 3550 m3;

– 4 tancuri de 4900 m3;

– 4 tancuri de 5100 m3.

– 2 tancuri reziduale cu o capacitate de 1000 m3;

– o instalație de distilare a apei de tipul Alfa Lawal JWSP-26-C100 cu o capacitate de 30 m3/zi;

– o instalație de tratare a apelor uzate de tipul Jowa Bio STP3 capabilă să susțină 34 de oameni;

– o macara ce poate ridica până la 10 tone având un braț ce se poate întinde până la 22 m;

– nava este prevăzută cu dublu fund și este echipată cu 5 magistrale de descărcare cu o capacitate de 3000 m3/h.

(https://www.marinetraffic.com)

Fig. 2.2 Tanc petrolier

2.3 Determinarea rezistenței la înaintare principale prin metoda seriei japoneze

Parametrii inițiali:

– Lcwl = 228 m;

– Bx = 32 m;

– B/L = 0,1403509;

– T = 11 m;

– Lcwl/Bx = 7,125;

– Bx/T = 2,7586;

– V = 37274,1 m3;

– ρ = 1,025 t/m3;

– μ = 1,16 · 10-6;

– v = 15 Nd (7,71 m/s);

– g = 9,81 m/s2;

Aria suprafeței udate se calculează cu relația:

(2.1)

Bazinele hidrodinamice japoneze au efectuat încercări sistematice cu modele de nave, aparținînd categoriei menționate mai înainte. Încercările s-au făcut în următoarele condiții:

– caracteristicile geometrice ale modelelor testate au fost: CB = 0,44; LWL/BWL = 7,125; BWL/TWL = 2,76;

– rezistența principală Rm, la înaintarea modelului încercat, a fost determinată pentru Fr = 0,16;

Cu rezulatele obținute s-au construit o serie de diagrame, care permit determinarea coeficientului rezistenței de presiune, pentru situația de încărcare amintită mai înainte. În lucrarea de față, va fi prezentată seria de diagrame corespunzătoare navigaței la plină încărcare, considerînd că această situație este specifică majorității cazurilor, întâlnite în practică. Seria cuprinde:

– diagramele pentru determnarea valorilor coeficientului rezistenței de presiune C'p , al navei cu BX/T =2,75 , în funcție de LCWL/BX =7,125 și CB = 0,44 , corespunzătoare numerelor Fr = 0,16;

2.4 Determinarea rezistenței de frecare

Coeficientul rezistenței de frecare se calculează cu relația:

(2.2)

în care: CFose determină, în funcție de numărul Re, cu formula lui Schoenherr, iar coeficientul adițional de rugozitate CAR se consideră în funcție de lungimea navei, din tabelul 2.1

Valorile coeficientului CAR Tabelul 2.1

Prin interpolare CAR = 0,000214.

Pentru valori intermediare ale lungimii, valoarea lui CAR se va stabili prin interpolare.

Pentru calculul rezistenței de frecare se utilizează relația generală:

[kN] (2.3)

2.5 Determinarea rezistenței de presiune

Coeficientul rezistenței de presiune se determină astfel:

-cunocând valorile: , , , prezentate mai înainte se determină pentru ;

Fig. 2.3 Diagrama explicativă pentru metoda seriei japoneze

Modul de utilizare al diagramelor din seria japoneză este următorul:

-se calculează numărul , corespunzător navei de proiectat, cu formula:

(2.4)

-se alege diagrama ce are înscrisă pe ea ;

-se calculează ;

-se fixează punctul A’ pe axa absciselor diagramei alese mai înainte, astfel încât ;

-se fixează punctul A’’, pe ordonată, astfel încât OA”- CB;

-verticala dusă prin A’ întâlnește orizontala dusă prin A”, în punctul A;

-valoarea înscrisă pe curba care trece prin punctul A, reprezintă coeficientul rezistenței de presiune , respectiv (dacă A nu este situat pe una din curbe se interpolează liniar).

Coeficientul de presiune determinat cu ajutorul diagramei era următoarea valoare:

Rezistența de presiune se calculează cu formula:

[kN] (2.5)

în care: ρ reprezintă densitatea apei în t/m3, v viteza navei în m/s, iar V volumul carenei în m4.

2.6 Determinarea rezistenței la înaintare datorată apendicilor

Apendicii sunt elemente constructive situate sub planul plutirii și care ies în afara suprefeței udate a corpului navei.

Printre apendicii mai importanți se menționează: cavaleții de susținere ai axelor port-elice; axele port-elice; pantalonii axelor port-elice; cârmelor; cârmele de ruliu; aparaturile cârmelor; chilele de ruliu; vibratorul sondei acustice și brâiele de acostare.

În faza inițială de proiectare, neavând date suficiente referitoare la dimensiunile, formele geometrice și amplasarea apendicilor pe suprafața udată, rezistența la înaintare totală a acestora se determină cu relația:

kN (2.6)

în care: S este suprafața udată a carenei în [m2], ρ densitatea apei în [kg/m3], v viteza navei în [m/s], iar CAP coeficientul rezistenței apendicilor se alege din tabele în funcție de tipul navei și are valoarea:

2.7 Determinarea rezistenței la înainatare generată de valurile mării

Din experimentele efectuate pe modele și din datele statistice, culese în timpul navigției diferitelor nave, a rezultat faptul că, în timpul marșului pe valuri, rezistența la înaintarea înregistrează o creștere apreciabilă. Această creștere este datorată rezistenței suplimentare generată de valurile mării.

În majoritatea cazurilor, apariția și menținerea stării de agitație a mării se datorează vântului. Cadrul natural nu oferă posibilitatea separării rezistenței la înaintare generată de valurile mării de cea datorată aerului. Separarea celor două componente ale rezistenței la înaintare suplimentare se realizează în bazinele de încercări, unde valurile sunt create pe cale artificială.

În faza inițială de proiectare, rezistența la înaintare generată de valurile mării se poate determina cu relația:

kN (2.7)

Valoarea coeficientului CVM se alege din 1.3 în funcție de gradul de agitație al mării și este:

2.8 Determinarea rezistenței la înaintarea datorată aerului

Rezistența la înaintare datorată aerului se manifestă atât pe timpul navigației într-o atmosferă calmă cât mai ales în condiții de vânt. În ipoteza unei atmosfere calme, rezistența la înaintare datorată aerului este mică. Ea reduce viteza navelor cu aproximativ (0,2 … 0,3) Nd. Pentru aprecierea rezistenței la înaintare datorată aerului, în faza inițială de proiectare, se recomandă formula aproximativă:

kN (2.8)

Valoarea coeficientului kaer corespunzătoare vântului de forța 6 pe scara Beaufort, se alege din tabelul în funcție de tipul navei și este:

2.9 Determinarea rezistenței la înaintare principală și suplimentară

Rezistența la înaintare principală se referă a acțiunea forțelor hidrodinamice, asupra carenei ude, pe timpul mișcării navei în apă liniștită. Rezistența la înaintare principală se calculează cu relația:

kN (2.9)

În realitate, navele sunt prevăzute cu o serie de apendici, amplasați în afara suprafeței udate, care abat liniile de curent de la direcția lor obișnuită, modificând spectrul hidrodinamic din jurul corpului. De asemenea, în multe situații reale, suprafața liberă a apei prezintă valuri, care influențează rezistența la înaintare a navei. Partea emersă a corpului se deplasează prin aer. Interacțiunea dintre aer și navă determină, atât în atmosfera calmă, cât mai ales în condiții de vânt, modificarea rezistenței la înaintare.

Factorii descriși mai înainte, condcu la apariția rezistenței la înaintare suplimentare (secundare).

Rezistența la înaintare suplimentară, RS, reprezintă o fracțiune din rezistența la înaintare totală și este determinată de interacțiunea dintre apă și apendici, de acțiunea valurilor mării respectiv a aerului atmosferic asupra corpului navei, la deplasarea acesteia cu o anumită viteză. Pe baza acestei afirmații se poate scrie:

kN (2.10)

unde RAP reprezintă rezistența la înaintare datorată apendicilor, RVM rezistența la înaintare generată de valurile mării, iar RAA rezistența la înaintare datorată aerului.

2.10 Determinarea rezistenței la înaintare totale și a puterii de remorcare

Rezistența la înaintare totala a navei se determină în baza faptului că:

kN (2.11)

în care R reprezină rezistența la înaintare principală, iar RS reprezintă rezistența la înaintare suplșimentară. Deplasarea navei prin apă, cu o anumită viteză constantă, se realizează cu ajutorul instalației de propulsie care, prin forța ce o dezvoltă, trebuie să învingă rezistența la înaintare totală. Puterea instalației de propulsie reprezintă lucrul mecanic realizat de aceasta, în unitatea de timp, pentru a învinge rezistența la înaintarea totală. Puterea de remorcare este produsă de elice și are relația de definiție:

kW (2.12)

CP (2.13)

în care: RT este rezistența la înaintare totală în kN, iar v viteza navei în m/s.

Fig. 2.4 Diagrama rezistenței totale la înaintare

CAPITOLUL III

Instalații de încălzire a mărfii

3.1 Scop și aranjament

Sistemul de încălzire menține sau crește temperatura încărcăturii la valoarea care îi permite să fie pompată prin conducte, sau care este stabilită în sarcina de voiaj. Sistemul este de asemenea proiectat pentru încălzirea încărcăturii și a tancurilor de reziduuri prin folosirea aburilor. Schimbătoare de căldură a încărcăturii independente situate pe punte furnizează căldură pentru tancurile de marfă prin mișcarea circulară a încărcăturii prin schimbătorul de căldură folosind pompa de marfă. Trebuie să existe un debit de fluid prin schimbătoarele de căldură înainte ca aburul să fie furnizat.

Fig. 3.1 Instalția de încălzire a mărfii

(TechSim/LCHS 5000 PRODUCT TANKER Trainee Manual)

Fiecare din tancurile de reziduuri sunt dotate pentru a crește și menține temperatura încărcăturii sau apei pentru spălat, după cum este necesar.

Schimbătoarele de căldură aflate pe punte furnizează încălzirea tancurilor de marfă nr. 1, 2, 3, 4 și 5 prin mișcarea circulară a încărcăturii prin schimbătorul de căldură folosind pompa de marfă. Trebuie să existe un debit de fluid prin schimbătoarelede căldură înainte ca aburul să fie aplicat.

Petrolierele destinate transportării hidrocarburilor de mare viscozitate și temperatură ridicată de congelare sunt dotate cu instalații de încălzire a mărfii, care provoacă reducerea vîscozității pentru a ușura aspirarea produselor petroliere la descărcarea navei. Aceste instalații au suprafețe schimbătoare de căldură sub formă de serpentine, executate din țevi netede, prin care circulă abur saturat cu presiunea maximă 10 bari. Serpentinele de încălzire sunt amplasate pe învelișul fundului sau pe pereții verticali de compartimentare. Temperatura de încălzire a petrolului trebuie să fie cu cel puțin 15oC sub punctul de inflamabilitate, valoarea ei alegându-se astfel încât marfa să nu fie degradată prin încălzire. Din acest motiv, păcura se încălzește pînă la (60 … 70) oC, în timp ce diversele tipuri de petrol brut, deși sunt vîscoase, se încălzesc numai până la (20 … 25) oC.

La transportarea produselor petroliere ușoare, cu temperaturi scăzute de inflamare, pentru evitarea pericolului de incendiu, instalația de încălzire a mărfii se decuplează.

Produsele petroliere vîscoase se ambarcă gata încălzite. La curse îndelungate și în anotimp friguros ele sunt încălzite pe durata întregei curse, iar pentru a împiedica formarea unui strat întărit la partea superioară, se procedează la amestecarea lor, prin transferarea între tancurile aceleași grupe. Marfa se încălzește astfel încît să fie atinsă temperatura necesară cu câteva zeci de ore înainte ca nava să ajungă ân portul de destinație.

Lungimile necesare ale suprafețelor schimbătoare de căldură se determină cu ecuația generală de schimb de căldură:

[J/h], (3.1)

unde kp este coeficientul global de transfer de căldură între aburul încălzitor și petrol, prin țeava de diametru d, [J/m h K]; L – lungimea necesară de țeavă de diametru d, [m]; – diferența medie de temperatură dintre aburul încălzitor și marfa lichidă, [K].

Orientativ se poate adopta 0,1 m2 suprafață de încălzire pentru 3 m3 de marfă. Pentru a stabili debitul necesar de abur D [kg/h], se calculează fluxul de căldură necesar fluidizării [J/h] și fluxul de căldură pierdută în exterior [J/h]:

[J/h], (3.2)

unde G este cantitatea de marfă, [t]; m – conținutul de parafină al mărfii; m = 0,03 … 0,06; q- căldura necesară topirii unui kilogram de parafină, [J/kg]; c – căldura specifică a mărfii lichide, [J/kg · K]; t1 și t2 sunt temperaturile inițială și finală a mărfii, [K]; – timpul total de încălzire a mărfii, [h].

Fluxul de căldură cedată mediului exterior se determină prin însumarea fluxurilor de căldură pierdută prin fiecare suprafață Fi [m2], astfel:

[J/h], (3.3)

unde sunt coeficienții globali de transfer de căldură, [J/m2 h K], conform tabelului următor; – diferențele de temperatură corespunzătoare fiecărei suprafețe, [K].

Debitul de abur necesar pentru obținerea temperaturii t2 se calculează în mod acoperitor cu relația:

[kg/h], (3.4)

în care și sunt entalpiile aburului la intrare și, respectiv, la ieșirea din instalația de încălzire, [J/kg].

3.2 Instrucțiuni pentru operarea sistemului de încălzire

3.2.1 Pornire și funcționare

Toate valvulele sunt închise.

Se purjează liniile înainte ca tancurile să fie încălzite.

Se deschid valvulele “forward warming through” și valvula “Forward condensate drain”. Deschideți valvula “main steam warming through” și valvula “main steam block” și “warm through the deck lines” și verificați ca scurgerile să fie libere.

La schimbătoarele de căldură a tancurilor individuale deschideți valvulele de intrare și warm through bobinele de încălzire. Este necesar ca atunci când aplicați abur schimbătorilor de căldură, pompa de încărcătură asociată să fie în operare înaintea aplicării aburului. Aliniați pompa de încărcătură necesară, asigurați că evacuarea pompei la colector este închisă și revenirea la tanc este pornită. Porniți pompa de încărcătură și puneți încărcătura în circulație prin schimbătorul de căldură înapoi la tanc.

Fig. 3.2 Pompa de marfă

Se deschide valvula “main steam warming through” până la capacitatea maximă și continuați încălzirea prin linii.

Fig. 3.3 Valvula “main steam warming through”

Când toate liniile de abur sunt pe deplin încălzite, deschideți încet valvula de abur maestră. Închideți valvula “warming through” atunci când valvula maestră este pe deplin deschisă.

3.2.2 Oprire și Stingere

Se închid toate valvulele “individual tank steam inlet”.

Se închid valvulele de alimentare cu aburi principala. Opriți pompele de încărcătură asociate atunci când schimbătoarele de căldură s-au răcit, (permiteți o perioadă de răcire de aproximativ 10 minute).

CAPITOLUL IV

Utilizarea surselor de energie regenerabilă la bordul navelor

4.1 Principalele tipuri de surse de energie

Sursele de energie de care omenirea beneficiază sunt de trei categorii, bazate pe:

arderea combustibililor fosili (cărbune, petrol, gaze);

fisiunea nucleară;

captarea și conversiunea energiei regenerabile (energia solară, energia vântului, energia potențială a apelor, energia geotermală etc.).

Combustibilii fosili sunt hidrocarburi, cărbune, petrol sau gaze naturale, formate din rămășițele fosilizate ale plantelor și animalelor moarte. [1] Teoria organică a formării hidrocarburilor din aceste resturi organice a fost emisă de către Mikhail Lomonosov în 1757. Există și o teorie anorganică a formării țițeiului formulată în 1929 de chimistul român Ludovic Mrazek.

În vorbirea curentă, termenul „combustibil fosil” include și resursele naturale cu conținut de hidrocarburi, dar care nu provin din surse animale sau vegetale. Acestea sunt denumite mai corect combustibili minerali.

Combustibilii fosili au făcut posibilă dezvoltarea impresionantă a industriei din ultimele secole și înlocuirea utilizării pe scară largă a lemnului și turbei pentru încălzire.

„Combustibil fosil” este termenul folosit pentru depozite geologice subterane de materii organice formate din plante și animale putrezite care s-au transformat în țiței, cărbune, sau gaze naturale, sub acțiunea căldurii și a presiunii din scoarța terestră, de-a lungul sutelor de milioane de ani.[2]

Pentru a genera electricitate, energia degajată de arderea combustibililor fosili este adesea folosită pentru a pune în mișcare o turbină. Generatoarele mai vechi foloseau adesea aburul obținut prin arderea combustibililor pentru a pune în mișcare turbina, dar în generatoarele moderne, se folosesc direct gazele de ardere ale combustibililor.

În lumea modernă a secolelor 20 și 21, setea de energie provenită din combustibili fosili, mai ales pentru benzină, provenită din petrol, este una din cauzele majore ale conflictelor globale și regionale. S-a născut astfel o mișcare globală spre generarea de energie regenerabilă, pentru a ajuta la satisfacerea nevoilor crescânde de energie.

Arderea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală. Concentrația de CO2 din atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creșterea temperaturii medii a suprafeței terestre.

Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili, adică derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la creșterea cantității globale de dioxid de carbon.

Fig. 4.1 Emisiile anuale de dioxid de carbon

(http://ro.wikipedia.org)

Totusi, folosirea acestor combustibili aduc numeroase dezavantaje, printre care se numără:

volumul limitat al rezervelor exploatabile de combustibili fosili;

impactul puternic asupra mediului ambiant.

Energia nucleară. Funcționarea centralelor nucleare nu este însoțită de emisii de gaze nocive, rezervele de materie primă nucleară fiind suficiente pentru folosirea acestui tip de energie pentru multe secole ce vor urma.

Sursele de energie regenerabilă. Acestea sunt sursele de energie ce se regenerează pe măsură ce sunt consumate.

Cele mai importante surse de energie regenerabilă sunt:

energia eoliană;

energia solară;

energia hidraulică a râurilor;

energia fluxurilor-refluxurilor și a valurilor mării;

energia geotermală;

energia biomasei.

Criteriile principale care determină perspectivele exploatării surselor de energie regenerabile sunt:

răspândirea destul de uniformă pe întrega planetă și accesul la utilizarea lor al majorității țărilor;

accesul populației atât la producerea, cât și la folosirea energiei;

sursele de energie regenerabilă sunt nonpoluante;

aflarea acestora în apropierea locului de consum reduc necesitatea transportării energiei pe distanțe mari.

Dezavantajele ce au făcut ca implementarea pe scară largă a acestor surse de energie să fie încetinită sunt:

neuniformitatea de distribuție în timp;

energia regenerabilă este dispersată pe distante mari, ceea ce determină necesitatea unor costuri inițiale mari pentru producerea energiei;

lipsa posibilităților de stocare, de formare a rezervelor.

4.2 Energia solară. Utilizarea energiei solare. Panouri fotovoltaice. Panouri solare termice

Energia solară reprezintă energia electromagnetică transmisă de soare generată prin fisiune nucleară în interiorul acestuia. Aceasta stă la baza întregii vieți de pe pământ iar cantitatea de energie generată de soare este de câteva mii de ori mai mare decât cantitatea totală de energie utilizată de întreaga planetă.

Soarele trimite catre pamânt un flux de energie care corespunde unei puteri de 170 miliarde MW. Dacă s-ar captura numai 0,1% din această energie pentru o populație de cca. 6 miliarde de oameni (anul 2000), ar reveni fiecărui locuitor o putere de 30 kW, cu o durata de 4-5 ore zilnic, s-ar putea produce cca. 50.000 kWh pentru fiecare locuitor (față de cca. 3.000 kWh produsi in prezent). Din păcate energia solară prezintă o serie de dezavantaje: concentrația de energie solară este mică, iar captarea ei se face greu, cu cheltuieli mari și este distribuiția neregulat în timp și pe suprafața planetei.

O cantitate imensă de energie solară ajunge la suprafața pământului în fiecare zi. Această energie poate fi captată, și folosită sub forma de căldură în aplicații termo-solare, sau poate fi transformată direct în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice(CF) . Pentru a înțelege cum CF și sistemele termo-solare captează energia solară, este important să ințelegem cum aceasta își urmează cursul de la soare spre Pământ și cum acest flux se schimbă periodic. Soarele este o sferă cu diametrul de aproximativ 1.4 milioane de km, formată din gaze cu temperaturi foarte mari(temperatura interioră a soarelui este de aproximativ 15 milioane de grade Kelvin). Aceasăa temperatură imensă, combinată cu o presiune de 70 miliarde de ori mai mare decât aceea a atmosferei Pământului creează condițiile ideale pentru reacțiile de fuziune. Reacțiile de fuziune din soare au loc între atomi de hidrogen, care se combină și formează atomi de helium. În urma acestui proces se degajă energie sub forma unor radiații cu energie mare, mai cu seamă raze gamma. În timp ce aceaste radiații migrează din centrul spre exteriorul sferei solare, ele reacționeaza cu diferite elemente din interiorul soarelui și se transformă în radiații cu energie mică. Soarele a produs în acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, și va continua să facă la fel pentru încă 4-5 miliarde.

Pământul se rotește în jurul soarelui la o distanță de aproximativ 150 milioane de km. Radiațiile se extind la viteză de 300.000 de km pe sec, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pământ este de aproximativ 8 min.

Energia solara este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat al reacțiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spațiu în cuante de energie numite fotoni, care interactionează cu atmosfera și suprafața Pământului. Intensitatea radiației solare la marginea exterioară a atmosferei, când Pamântul se află la distanța medie de Soare, este numită constanta solară, a carei valoare este de 1,37*106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani. Intensitatea energiei solare la suprafața Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită absorbției și difracției energiei solare, când fotonii interactionează cu atmosfera.Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pamânt depinde într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de ora, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solara care poate fi absorbita depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.Absorbția naturală a energiei solare are loc în atmosfera, în oceane si în plante. Interacțiunea dintre energia solară, oceane si atmosferă, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt. Utilizarile moderne ale energiei eoliene presupun masini puternice, ușoare, cu design aerodinamic, rezistente la orice condiții meteo, care atașate la generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei retele de distributie locala sau regionala. Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea atmosferei este consumată în circuitul hidrologic, care produce ploi si energia potențială a apei din izvoarele de munte si râuri. Puterea produsă de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită energie hidroelectrica. Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie la creșterea biomasei, care poate fi folosita drept combustibil incluzând lemnul și combustibilele fosile ce s-au format din plantele de mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din biomasă.De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbție a energiei. Ca rezultat al absorbției energiei solare în oceane și curenți oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste variații verticale se apropie de 20°C pe o distantă de câteva sute de metri. Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevăd ca un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperatură mai mare și transferând o cantitate mai mică de energie celei cu temperatura mai mică. Diferența între aceste două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată la un generator pentru a produce electricitate. Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate sa capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct în energie electrică, fară a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde căldura solară este transferată într-un fluid care pune în funcțiune un sistem de conversie a energiei electrice convenționale.

Producerea de energie electrică și termică din energie solară se bazează pe instalații termice și pe panourile fotovoltaice. Modalitățile de utilizarea a energie solare sunt limitate doar de imaginația omlului. Astfel, o listă parțială aplicațiilor energiei solare cuprinde producerea energiei electrice, furnizarea de apă potabilă prin distilare și dezinfecție, iluminat, producere de apă caldă, gătitul cu ajutorul energiei solare.

Aplicațiile tehnice ale energiei solare sunt realizate cu ajutorul tehnologiilor ce pot beneficia de energia solară în următoarele moduri:

Celulele solare ce pot produce curent electric (fotovoltaic);

Panouri solare ce generează căldură (colector solar);

Centrale solar-temice ce produc electricitate prin utilizarea căldurii și aburului.

Panourile fotovoltaice (PV) realizează conversia direcă a luminii în energie electrică la nivel atomic. Unele materiale au proprietatea de a absorbi fotoni de lumină și de a elibera electroni. Acest efect poartă numele de efect foloelectric. Captarea acestor electroni duce la producerea curentului electric care poate fi utilizate ca electricitate. Componentele principale ale panoului solar sunt celulele solare.

Fig. 4.2 Panouri solare

(http://ro.wikipedia.org/)

O celulă solară este alcătuită din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt combinate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” și „n”. Atunci când stratul de siliciu este expus la lumină se produce o agitație a electronilor din material și astfel va fi generat un curent electric. Celulel au de obicei o suprafață foarte mică iar curentul generat de o singură celulă este mic, dar în combinați serii și paralele, celulele pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică.

Panoul solar termic(colector solar) este o instalație ce captează energia solară conținută în razele solare și o transformă în energie termică. Deoarece aproape întreg spectrul radiației solare este utilizat pentru producerea energiei termice, randamentul acestor colectoare este ridicat fiind în jur de 60-70% raportat la energia razelor solare incidente (200-1000W/m2 în Europa, în funcție de latitudine, anotimp și vreme).

Din punct de vedere funcțional, componenta principală a colectorului solar este elementul absorbant care transformă energia razelor solare în energie termică și o cedează unui agent termic, în general apă. Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluată de la colector și este fie stocată, fie utilizată direct.

Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o izolare termică a elementului absorbant de mediul înconjurător. În funcție de tehnica utilizată în acest scop se deosebesc:

colectoare ce utilizează materiale izolatoare obișnuite;

colectoare în care izolarea termică se realizează cu ajutorul vidului;

colectoare ce se bazează pe tehnici simple și care se utilizează la încălzirea bazinelor de înot.

După principiul de construcție, colectoarele solare sunt de două feluri:

Colectoare solare plate. Sunt alcătuite dintr-o carcasă metalică de formă dreptunghiulară, izolată termic, în interiorul căruia se găsesc montate celelate elemente. Această carcasă este acoperită cu un material transparent, care reduce pierderile de căldură. Sub acest material se găsește o placă ce absoarbe întregul domeniu spectral al razelor solare, aceasta cedând căldura unui agent termic ce curge prin conducte de cupru sau aluminiu atasate de placă. Agentul termic transportă energia calărică la utilizator sau la un recipient de stocare.

Colectoare solare cu tuburi vidate. Se compun din tuburi paralele în spatele cărora se află reflectoare pentru concentrarea radiației solare. Tuburile vidate se compun din două tuburi de sticlă concentrice între care se crează vid. Tubul din interior este înconjurat de o suprafață absorbantă de care este atașat un tub de cupru prin care circulă un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de căldură prin convecție și conducție, permițând obținerea de performanțe superioare. Astfel de colectoare sunt mai eficiente în zonele cu temperatură moderată, utilizarea lor în zone calde justificându-se doar în instalații tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari.

4.3 Energie solară la bordul navelor

Deși panourile fotovoltaice au o largă întrebuințare pe uscat, cum ar fi producerea de curent electric pentru încărcarea diverselor dispozitive portabile, pentru alimentarea iluminatului stradal, a panourilor pentru reclame, alimentarea cu curent a unor case ce nu sunt conectate la rețea, sau în cazul unor panouri fotovoltaice industriale care pot stoca și introduce curent electric auxiliar într-o rețea principală, prezența sistemelor fotovoltaice în tehnologia marină modernă rămâne limitată, fiind folosite în principal pentru alimentarea unor mici faruri, geamanduri sau pentru încărcarea bateriilor unor iahturi de dimensini mai mici.

Dar datorită creșterii cheltuielilor de transport ca urmare a schimbării prețurilor combustibililor, a restricțiilor tot mai mari a emisiilor de CO2 și oxizi de azot pe care noile politici ecologice le impun, și, în general, datorită nevoii de a face transporturile să fie mai ecologice, marile companii maritime au fost forțate să reexamineze utilizarea sistematică a sistemelor fotovoltaice la bordul navelor mari. Astfel, sistemele fotovoltaice pot acționa sursele de alimentare secundare, independent de instalația electromecanică a navei.

Avantajele acestor tipuri de sisteme sunt:

producerea curentului electric fără a fi nevoie de transfer de gaz sau de combustibil lichid;

lipsa emisiilor de gaze sau de zgomot;

costuri de întreținere reduse;

au un număr limitat de piese ce se află în mișcare;

sunt alcătuite dintr-un număr mic de părți, ce au o instalație ușoară, având și o înlocuire rapidă în cazul îmbatrânirii sau defecțiunii;

au o durată de viață satisfăcătoare, cu o putere care de obicei nu poate fi mai mică de 80% din cea nominală, după o perioadă de 25 de ani;

pot fi amplasate pe suprafețe mici, cu un folos practic redus, cum ar fi acoperișuri, pereți, suprastructuri, sau chiar și pe puntea deschisă a navei, la navele unde există un consum mai mare de curent.

Figura 4.3 Sistem electric naval completat de un sistem fotovoltaic

În continuare sunt prezentate câteva nave de construcții mai speciale, ce au reușit, la un nivel acceptabil, să transforme energia solară în energie electrică ce poate fi folosită pentru alimentarea diverșilor consumatori.

Una dintre aceste nave este nava Ro-Ro de construcție japoneză, Nichio Maru. Aceasta este echipată cu 281 de module fotovoltaice, montate pe punțile superioare ale navei, folosite exclusiv pentru iluminarea încăperilor de locuit și a punților navei. Nava de 170 de metri mai este echipată și cu un motor controlat electronic și are corpul navei acoperit cu un strat ce reduce frecarea cu marea. Datorită acestor panouri și caracteristici, nava consumă cu până la 13 tone de combustibil mai puțin față de o navă standard Ro-Ro de aceleasi dimensiuni, astfel reducând emisiile de CO2 cu până la 18%. Aceste cifre sunt raportate la o cursă dus-intors de 1800 km.

Figura 4.4 Nava japoneză Nichio Maru

Catamaranul MS Tûranor PlanetSolar este o altă navă ce a reușit să folosească energia electrică produsă de panouri solare pentru a-și alimenta consumatorii. Spre deosebire de nava prezentată mai sus, PlanetSolar folosește energia solară pentru alimentarea tuturor consumatorilor de la bord. Iahtul are o lungime de 35 de metri și o lațime de 23 metri și este acoperit cu panouri solare pe o suprafață de 512 m2, panourile având o eficiență de 18,8%. Curentul produs de aceste panouri este înmagazinat în baterii litiu-ion ce cântăresc în total 8.5 tone, oferindui navei o autonomie nelimitată fără a consuma nici un fel de combustibil și fără a elimina nici un gram de dioxid de carbon.

MS Tûranor este echipată cu două motoare electrice de 60 de kW, motoare ce îi permit navei să se deplaseze cu o viteze maximă de 14 noduri.

Figura 4.5 Catamaranul MS Tûranor PlanetSolar

CAPITOLUL V

Schimbătoare de căldură folosite pentru încălzirea mărfii la navele de tip tanc petrolier

Aspecte generale

O exploatare industrială normală a oricărui schimbător de căldură urmărește în primul rând menținerea regimului termic optim. Prin regim termic optim se înțelege regimul în care sunt satisfăcute toate cerințele procesului tehnologic, cu un consum cât mai redus de agent termic.Într-un asemenea aparat regimul tehnologic și regimul termic trebuie să fie în strânsă legătură.

Un schimbător de căldură este un echipament de transfer termic, care transmite căldura de la un mediu la altul. Transmiterea căldurii între cele două medii se poate face printr-un perete solid, care le separă, sau se poate face prin amestecarea mediilor. Dacă mediile sunt în contact cu peretele despărțitor pe fețe diferite, căldura trecând prin perete, schimbătorul este de tip recuperativ, iar dacă mediile sunt în contact succesiv cu aceeași față a peretelui, căldura acumulându-se în perete și fiind cedată celuilalt mediu ulterior, schimbătorul este de tip regenerativ. Transferul de căldură are loc întotdeauna, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece.

Schimbătoarele de căldură se folosesc în procese de încălzire, topire, sublimare, fierbere, vaporizare, condensare, răcire și solidificare. Ele își găsesc o largă aplicabilitate în instalațiile de încălzire, refrigerare, climatizare, distilare (în industria chimică și petrochimică), în centralele termice,termoficare și ca anexe ale mașinilor termice. Un exemplu foarte cunoscut este radiatorul autovehiculelor, unde fluidul cald (apa de răcire amotorului) transferă o parte din căldura evacuată din motor unui fluid rece (aerul din mediul ambiant).

Fig. 5.1 Model transparent al unui schimbător de căldură țeavă în țeavă, cel mai simplu posibil

(http://ro.wikipedia.org)

Alegerea celui mai convenabil schimbător de căldură pentru anumite situații se rezolvă în fiecare caz concret în conformitate cu condițiile pe care trebuie să le satisfacă.La alegere trebuie să se țină seama de o serie de factori importanți, dintre care fac parte : fluxul termic care trebuie schimbat, condițiile de temperatură, în care trebuie să se realizeze schimbul termic, condițiile de transfer de căldură care se pot însuma prin coeficientul total de transfer de căldură, rezistența hidraulică a aparatului, tipul de material din care se construiește și posibilitățile de protecție împotriva coroziunii, posibilitățile de montare a aparatului, posibilității de curățire a suprafeței de depuneri.

Cum alegem tipul de schimbător de căldură?

La alegerea tipului de schimbător de căldură se pot avea în vedere următoarele criterii orientative:

-Cele mai raționale schimbătoare de căldură pentru cazul fluidelor vapori-lichid, de cele mai multe ori sunt schimbătoarele de căldură multitubulare cu mai multe treceri prin spațiul din interiorul țevilor.În acest caz, datorită condițiilor de temperatură, de obicei sunt adecvate sunt construcțiile care permit dilatarea țevilor în lungime.Folosirea schimbătoarelor de căldură multitubulare este recomandată și în cazul schimbului de căldură lichid-lichid sau gaz-gaz, însă în loc de a folosii aparate cu mai multe treceri, este mai comod să se folosească mai multe schimbătoare montate în serie (schimbătorul de căldură cu mai multe elemente).Schimbătoarele de căldură multitubulare sunt recomandate și în cazul când fluxul termic cerut este mai mare sau foarte mare, și se impune pentru realizarea procesului o suprafață de schimb de căldură mare.

-În cazul schimbului de căldură folosind ca fluide vapori care se condensează –gaz sau lichid-gaz când coeficienții de transfer de căldură ai celor două fluide sunt foarte diferiți ca mărime sunt indicate schimbătoarele de căldură cu aripioare, fluidul cu coeficientul parțial de transfer de căldură cel mai mic circulând pe fața suprafeței de schimb de căldură pe care se montează aripioarele.

-Schimbătoarele de căldură cu manta sunt indicate numai pentru fluxuri tehnologice mici și când transferul de căldură este realizat ca fenomen secundar necesar pentru obținerea unui alt fenomen principal, deoarece raportul dintre suprafața de transfer de căldură și volumul ocupat de aparat este mic în comparație cu cel de la aparate de transfer de căldură.

– Schimbătoarele de căldură cu serpentină se utilizează de asemenea aproape numai în aceleași situații ca schimbătoarele de căldură cu manta.

– Schimbătoarele de căldură cu țevi coaxiale sunt utilizate pentru debite mici de flux termic.Ele se pot construi chiar din mai multe elemente conectate în serie.

– Schimbătoarele de căldură în spirală se întrebuințează de obicei numai pentru fluxuri termice mari însă cu limitarea presiunii fluidelor maximum 60 N/cm2 sau în condiții special la 100N/cm2.Prezintă avantajul unui aparat compact care pe unitatea de volum poate realiza suprafețe mari de transfer termic (până la 80m2/m3)

– Schimbătoarele de căldură cu plăci sunt utilizate în cazurile când se impune o concentrare mare de suprafață pe unitatea de volum (se poate ajunge chiar până la 200 m2/m3, când se impun condiții de igienă speciale și de recuperarea căldurii între agenții de schimb de căldură se poate ajunge până la o recuperare de 80-85%).Este acceptabil și pentru fluxuri mari și fluxuri termice mici, putându-se modifica ușor mărimea suprafeței prin eliminarea sau adăugare de plăci.În utilizarea acestui tip de schimbător de căldură este limitată presiunea agenților de transfer termic.În mod normal se lucreză la presiuni sub 30 N/cm2 și în condiții special până la 60 N/cm2.

Schimbătoarele de căldură spirală

Schimbătoarele de căldură în spirală (Fig.1) sunt formate din două table îndoite sub formă de spirală și din doi pereți laterali care au rolul să închidă și să separe două spații prin care circulă în curent paralel sau în contracurent cele două fluide între care se realizează transferul de căldură.Pentru fiecare dintre aceste două spații există un record central și unul periferic pentru intrarea și ieșirea fluidului.Canalele care se formează pentru circulația fluidelor se etanșează prin diferite sisteme.

Fig.5.1 Schimbător de căldură în spirală

5.2.1. Particularități funcționale

Schimbul de căldură spiral se compune din două canale spirale concentric separate între ele de un perete metalic.Cele două fluide între care se realizează transferul termic circulă prin cele două spații spirale,în echi sau contracurent.

Acest tip de schimbătoare constituie o variantă optimă din punct de vedere al transferului termic.Se obțin caracteristici de curgere identice pentru cele două medii.Circulația separată a fiecărui fluid printr-un singur canal elimină eventuale accidente ce ar putea aparea datorită amestecării fluidelor de lucru.

Schimbătoarele de căldură spiral se confecționează din orice metal care poate fi deformat la rece și sudat (oțel carbon, oțeluri inoxidabile, aliaje înalte de nichel și titan).

Acest tip de schimbătoare de căldură se caracterizează prin eficiență înaltă:cele două fluide nu vin deloc în contact, iar pierderile prin radiații sunt mici.

Principiul de funcționare (Fig.2) al acestui tip de schimbătoare de căldură este: fluidul cald intră prin centrul schimbătorului și curge din interior spre exterior, în timp ce fluidul rece intră pe la periferia schimbătorului și curge spre centru.Cele două fluide de lucru curg astfel în contracurent.

Schimbătoarele de căldură spirale au suprafața de transfer termic de 0,5 până la 250 m2.

Fig.5.2 Schema de circulație a fluidelor de lucru prin schimbătorul de căldură spiral

5.2.2. Avantajele prezentate de schimbătoarele de căldură în spirală:

viteza fluidelor care circulă prin spațiul spiral într-o secțiune de formă dreptunghiulară este constant fără locuri în circulație lentă unde să se poate acumula depuneri și să poată apărea fenomenul de coroziune.

viteza constantă și lipsa schimbărilor bruște de direcție face ca pierderea de presiune să fie mai redusă decât în cazul altor tipuri de schimbătoare de căldură.

distanța relativ mică dintre cele două table îndoite (6-15 mm) favorizează deplasarea

fluidelor la viteze mai mari (pentru vapori până la 20 m/s, pentru lichide până la 2 m/s), realizarea unei turbulențe corespunzătoare , ceea ce atrage după sine mărirea coeficientului total de transfer de căldură.Se poate ajunge până la coeficienți totali de transfer de căldură de 3500 W/m2.grd.

dispunerea în spirale paralele a tablelor separatoare, duce la o concentrare mai mare de suprafață de transfer de căldură (se ajunge până la 80 m2/m3) ceea ce face să se ocupe un spațiu mai redus.Ținând seama și de mărimea coeficientului de transfer de căldură, eficiența unui m3 de schimbător de căldură este echivalentă cu cea a unei suprafețe de circa 150 m2 în schimbător de căldură multitubular.

Fabricarea acestor schimbătoare de căldură este mai complicată și pune restricții de presiune mai mari decât schimbătoarele de căldură multitubulare.În general presiunea de lucru nu depășește 60 N/cm2 și numai în cazuri speciale se poate ajunge la 100 N/cm2.

Totuși avantajele lui au făcut sa își găsească din ce în ce mai multe aplicații .

5.2.3. Moduri de curgere ale fluidelor de lucru

Curgere spirală- curgere spirală

Cele două fluide de lucru circulă complet în contracurent : fluidul cald intră

pe la centrul schimbătorului și curge dinspre interior spre exterior, iar fluidul rece intră pe la periferie și curge spre centru.

Schimbătorul se poate monta în lungul axei sale verticale sau în lungul axei orizontale.La montarea în lungul axei orizontale , la rate de curgere mici, tind să se acumuleze depuneri solide la partea inferioară a fiecărei spirale.Dacă un mediu este sub formă de vapori, atunci schimbătorul se montează în lungul axei sale verticale și va fi prevăzut cu o ieșire adițională pentru condensat.

Curgere spirală- curgere transversală

Un fluid de lucru curge în spirală ,celălalt transversal, paralel cu axa elementului spiral.Zona cu mediul în curgere spirală este sudată la fiecare parte , iar mediul în curgere transversală trece prin spațiul interspiral deschis.

Schimbătorul se utilizează pentru volume specifice mari de vapori / gaz , vapori / lichid, sau amestecuri.El poate funcționa ca și condensator sau ca și vaporizator.La utilizarea ca și condensator, configurația schimbătorului permite combinația între viteze mari ale lichidului în zona spirală închisă și căderi mici de presiune ale amestecului de vapori.La utilizarea ca și vaporizator, schimbătorul poate funcționa la presiuni de operare joase sau sub vacuum, datorită secțiunii transversale mari și înălțimi mici.Viteza vaporilor poate fi controlată iar căderile de presiune pot fi minimizate.

Combinații curgere transversală și spirală-curgere spirală

În acest caz, secțiunea centrală este astfel concepută încât să distribuie uniform vaporii în elementul spiral deschis.Necondensatul intră prin pasajul relativ îngust de la partea superioară și curge în spirală și în contracurentul cu mediul de răcire spre exterior.Mediul de răcire intră pe la periferie și curge în spirală spre centru.

5.2.4. Calculul termic

La calculul termic fluxul termic se stabilește pe baza ecuațiilor calorimetrice, ținând seama dacă este sau schimbare de stare al fluidului respectiv și în același timp, ținând seama ca fluxul termic dintre cele două fluide să fie egale.Debitele dintre cele două fluide se pot determina din fluxul termic dacă acesta este condiționat, sau debitul unuia din fluide este condiționat de condițiile de transfer termic și fluxul termic al celuilalt fluid.

Diferența medie de temperatură între fluidele între care are loc transferul de căldură se determină ținând seama că în cazul acestui aparat transferul de căldură are loc în perfect contracurent.

La calculul coeficientului total de transfer de căldură trebuie să se țină seama de condițiile concrete ale celor două fluide și ale aparatului.Ținând seama de construcția aparatului la culculul vitezelor trebuie să se țină seama de debit și secțiunea reală de trecere prin aparat pentru fiecare fluid.

Pentru calculul coeficienților de transfer de căldură (parțiali) trebuie să se determine echivalentul fiecărui canal ținând seama de faptul că în realitate canalul are o secțiune dreptunghiulară constantă pe tot parcursul fiecărui fluid.pentru proiectarea unui schimbător de căldură în spirală se ia de obicei distanța între cele două suprafețe de schimb de căldură 8-20 mm(grosimea canalului) și lungimea 600-1200 mm(lungimea canalului aproximativ egală cu lățimea spiralei din care face parte peretele despărțitor.

Conform datelor experimentale coeficienții de transfer de căldură(parțiali) sunt cu circa 60% mai mari decât cei calculați pe baza relațiilor obișnuite,ținând seama de criteriul lui Reynolds și Prandtl în cazul când criteriul lui Reynolds Re >6000.Din aceste motive pentru calculul coeficienților de transfer de căldură(parțiali) trebuie să se facă corecția prin înmulțire cu 1,6 a valorii calculate pe baza relațiilor obișnuite.

Valorile obținute în acest mod după datele din literatură sunt valorile pentru țevi drepte, iar pentru spirale trebuie să fie amplificate cu un coeficient dat de relația:

ε=(1+3,54) (5.1)

5.2.5. Elemente constructive și dimensionale

Pentru proiectarea schimbătorului de căldură spiral se recomandă următoarele elemente:

-pasul spiralei sau distanța dintre spire(t) se ia intre 8-20mm în funcție de debit pentru respectarea condițiilor de viteză.

-inălțimea spiralei sau lățimea tablei din care este confecționată spirala h=600…1200 mm,ținând seama de aceleași elemente ca și la pasul spiralei.

-grosimea tablei din care confecționează spirala se ia minimum 3mm sau cea rezultată din calculul de rezistență în funcție de presiune și lungimea aparatului.

-diametrul interior al spiralei(d) se ia pe criterii constructive în funcție de înălțimea spiralei 300-800 mm.

-grosimea nervurii centrale de care se leagă cele două spire se ia 15-20 mm , iar inălțimea(lungimea) acesteia cu 20-30 mm mai mică decât înălțimea spiralei.Lățimea nervurii este determinată în funcție de diametrul interior al spirei și pasul spirei.

În realitate, într-un schimbător de căldură în spirală sunt două spirale, una interioră și alta exterioră care au raze de pornire diferite(r’ si respectiv r’’).Lungimea totală a foilor spiralelor se determină în funcție de suprafața de schimb de căldură și înălțimea spiralei.Fiind două spirale,lungimea totală a spiralelor este:

L= (5.2)

Prin diametrul interior al spiralei se înțelege diametrul de pornire al primei spirale.Cele două spirale în funcție de debitul de fluid și viteza necesară de realizat pot avea distanțe între spire diferită(t1 și respectiv t2).

Fiecare spirală are un număr de spire, totalul unei spirale fiind cu ½ spire mai mare decât celălalt.Neconsiderând jumătate de spirală care este începutul, raza începutului spirei pe spirele 1 și 2 se poate determina cu aproximație lungimea ambelor spirale ,deci lungimea tablei din care trebuie să se confecționeze aparatul.

L=π (5.3)

Suma care reprezintă suma razei de început a tuturor spirelor din spirala 1, este:

(5.4)

în care ultima paranteză este o însumare a numerelor naturale , suma unei progresii aritmetice deci este:

S1= (5.5)

unde a1 este primul termen , n- numărul de termeni , r-rația.

Pentru cazul a1= 1; n=n-1; r=1 de unde:

(5.6)

Pentru spirala 2 se obține:

(5.7)

în care ținând seama de cele două progrese aritmetice se obține:

(5.8)

ținând seama de realațiile anterioare și de sumele respective se obține:

n= (5.9)

din care în funcție de , și aleși și L calculate se poate deduce numărul de spire întregi.Ecuația fiind o ecuație de gradul doi admite două rădăcini din care una reală care dă valoarea lui n.

Diametrul aparatului se poate considera:

D=2] (5.10)

Diametrele racordurilor se calculează în funcție de debitele respective și viteză.

Rezistența hidraulică se calculează prin însumarea rezistențelor locale și rezistenței liniare pe lungimea spirelor, care se determină pe principiile obișnuite, pentru rezistența liniară pe lungimea spiralei se face aproximația că spirala este desfășurată și are diametrul echivalent rezultat din calcul.

5.2.6. Elementele de calcul .Caracteristici tehnice:

Lungimea spiralei lsp [m] se calculează cu relația:

lsp (5.11)

unde: S[m2] – secțiunea canalului spiral.

lc[m] – lățimea canalului (l=0,008…0,019).

Diametrul echivalent al canalelor Dech [m] se determină cu relația:

Dech (5.12)

unde : Lsp [m]-lungimea canalului spiral.

iar lungimea efectivă Lef [m] cu relația:

Lef (5.13)

Pasul spiralei p[m] se determină cu relația:

p= lc+δ (5.14)

unde δ [m] reprezintă grosimea tablei din care este executată spirala (δ=0,004…0,006).

Numărul de spire n [-] se poate calcula cu relația:

n (5.15)

unde x [-] reprezintă un factor adimensional , funcție de diametrul inițialal spiralei d [m] și pasul p [m]:

x (5.16)

Diametrul exterior al spiralei Dext [m] se determină cu relația:

Dext=d+2 n p+ δ (5.17)

În tabelul 5.1. se prezintă un exemplu de caractreistici tehnice pentru un schimbător de căldură spiral:

Tabelul 5.1.Caracteristici tehnice ale schimbătorului de căldură spiral

Dimensionarea schimbătorului de căldură în spirală

Să se dimensioneze un schimbător de căldură spiral:

– debitul de apă de presă Qv2=55 m3/h;

– temperatura inițială a apei de presă =300C și cea finală =900C;

– temperatura inițială a apei de condens = 980C și cea finală = 470C;

– densitatea apei de presă la temperatură medie ρ2 = 985 kg/ m3;

– densitatea apei de condens la temperatură medie ρ1 = 976 kg/ m3;

– căldura specifică c= 4,19 kJ/kg,grd;

– vâscozitatea apei la temperatura medie a apei de presă ν2= 0,479 10-6;

– vâscozitatea apei la temperatura medie a condensului: ν1=0,450×10-6 m2/s;

-conductivitatea termică a apei la temperatură medie a apei de presă:

λ2= 0,647

-conductivitatea termică a apei la temperatură medie condensatorului:

λ1= 0,670

Pentru construcția aparatului se adoptă următoarele dimensiuni constructive:

-înălțimea spiralei (lățimea tablei) h= 1200 mm;

-diametrul interior al spiralei d= 700 mm;

-grosimea tablei , δ=4 mm;

-pasul spiralei pentru apa de presă t1= 16 mm;

-pasul spiralei pentru apa de condens t2= 14 mm;

Aparatul se construiește din oțel carbon cu λ =45 W/m,gr;

Pluxul oral caloric se determină din condițiile date pentru apa de presă:

Q= W ν2 ρ2c()= (5.18)

Debitul de apă de condens se obține din ecuația calorimetrică:

Q ν1== (5.21)

Diferența medie de temperatură se calculează ținând seama de curgerea în contracurent:

Δtmed = = = 120C (5.22)

Coeficientul total de transfer de căldură k se determină din relația:

k = (5.23)

Din datele constructive și de debit se determină vitezele și diametrele echivalente necesare pentru calculul coeficienților parțiali de transfer de căldură:

w2 = (5.24)

w1 = (5.25)

dech2 = = = 0,0237 m (5.26)

dech1 = = = 0,020 m (5.27)

Valorile criteriului lui Reynold și al lui Prandtl în condițiile date sunt:

Re2= 52 000; Re1= 75 000; Pr1=2,455; Pr2=3,0;

Ținând seama că în ambele cazuri Re >104 pentru calculul lui α se poate aplica relația criteriale:

α=0,0230 (5.28)

din care deducem:

α1=7720 W/m2 grd (5.29)

α2=5070 W/m2 grd (5.30)

Ținând seama de cele specificate valorile lui α calculate pe baza relației anterioare trebuie multiplicate cu:

α1= α (5.31)

de unde obținem:

α1r = 7720 13 580 W/m2 grd (5.32)

α2r = 5070 9 080 W/m2 grd (5.33)

De unde coeficientul total de transfer de căldură:

k = W/m2 grd (5.34)

Suprafața de schimb de căldură se deduce :

A= (5.35)

Lungimea totală a spiralelor ținând seama se suprafața de schimb de căldură și lățimea tablei este:

L= (5.36)

Numărul de spire întregi din fiecare spirală se determină prin înlocuirea lui n≈11 spire pe fiacare spirală.

Diametrul aparatului este:

D=2[ (5.37)

CONCLUZII

O importanță deosebită în cadrul studiului posibilității încălzirii mărfii cu ajutorul energiei solare o reprezintă alegerea corectă a tipului de schimbător de căldură precum și a caracteristicilor acestuia cu implicații directe în exploatarea corectă și eficientă a instalației.

Pentru o exploatare în deplină siguranță și pentru evitarea poluării mediului marin elementele instalației trebuie să respecte anumite standarde impuse de societățile de clasificare internaționale. Dintre acestea cele mai importante sunt: economicitatea și siguranța de funcționare îndelungată, în condiții de exploatare, elemente construtive ale instalațiilor trebuie să fie în cea mai mare măsură standardizate sau măcar tipizate, iar numărul de tipodimensiuni să fie cât mai redus, materialele folosite pentru confecționarea și montarea instalațiilor trebuie să fie rezistente la coroziunea maximă a agenților de lucru.

Instalația de încălzire a mărfii are un rol foarte important pentru a menține marfa din tancuri la o temperatură optimă astfel încât vehicularea petrolului prin conducte să fie cât mai eficientă. La fel de important este și alegerea pompelor de marfă care trebuie să aibă capacitatea de a încărca sau descărca marfa din tancuri într-un timp cât mai scurt dar și în siguranță pentru mediul marin astfel încât să nu aibă loc poluare a amediului marin.

Un aspect foarte important care trebuie avut în vedere la exploatarea instalației de încălzire a mărfii este acela al evitării poluării mediului marin sau contaminării mărfii în special în timpul operațiunii de încălzire a mărfii. Astfel societățiile internaționale au venit cu un set de reguli care trebuie respectate pentru a minimiza sau evita în totalitate poluarea mediului marin.

BIBLIOGRAFIE

Prof. Dr. Ing. COSTICĂ ALEXANDRU – MAȘINI ȘI INSTALAȚII NAVALE DE PROPULSIE, Ed. TEH. BUCUREȘTI 1991

Dr. Ing. IONIȚĂ C. ION – INSTALAȚII NAVALE DE BORD, Ed. TEH. BUCUREȘTI 1986

PRICOP M., CHIȚAC V., ONCICA V. – TEORIA ȘI CONSTRUCȚIA NAVELOR. NOȚIUNI TEORETICE ȘI PROBLEME, Ed. Academiei Navale “Mircea cel Bătrân”, Constanța, 2009

ELENA DANIEL LAVRIC – SCHIMBĂTOARE DE CĂLDURĂ DE MARE EFICACITATE

http://ro.wikipedia.org/wiki/Schimb%C4%83tor_de_c%C4%83ldur%C4%83

http://www.vitan.ro/Ingineria_Proceselor_II/VI.1.2.2-VI.1.2.7.pdf

http://ro.wikipedia.org/wiki/Combustibil_fosil

BIBLIOGRAFIE

Prof. Dr. Ing. COSTICĂ ALEXANDRU – MAȘINI ȘI INSTALAȚII NAVALE DE PROPULSIE, Ed. TEH. BUCUREȘTI 1991

Dr. Ing. IONIȚĂ C. ION – INSTALAȚII NAVALE DE BORD, Ed. TEH. BUCUREȘTI 1986

PRICOP M., CHIȚAC V., ONCICA V. – TEORIA ȘI CONSTRUCȚIA NAVELOR. NOȚIUNI TEORETICE ȘI PROBLEME, Ed. Academiei Navale “Mircea cel Bătrân”, Constanța, 2009

ELENA DANIEL LAVRIC – SCHIMBĂTOARE DE CĂLDURĂ DE MARE EFICACITATE

http://ro.wikipedia.org/wiki/Schimb%C4%83tor_de_c%C4%83ldur%C4%83

http://www.vitan.ro/Ingineria_Proceselor_II/VI.1.2.2-VI.1.2.7.pdf

http://ro.wikipedia.org/wiki/Combustibil_fosil