Balance de vapor en buques con propulsion a
2. SERVICIOS DE VAPOR
-s o - as 25 30
En los tanques del doble fondo muchas cuadernas son verticales, y n puede por tanto obtenerse a partir de la Fig. 6 a la temperatura media de las cuadernas, que puede considerarse como:
Para una distancia de 5cm entre la capa y el fondo, podemos calcular que:
cei 0,120
= 3,2 kcal/m
2
h2C 0,75 . 5 . 102
2.13. Mamparos.
Las pérdidas de calor a través de los mamparos pueden ser impor- tantes silos tanques adyacentes están llenos pero se quedan sin calor.
Para el cálculo de n se utiliza la Fig. 6, tomando como temperatura de la pared el promedio entre la temperaturas del combustible en ambos tanques. Debido a la baja temperatura en el tanque sin calor, 0ext será mucho menor del valor que se obtendría en la Fig. 6; el error que se co- metería de tomar nj = , sin embargo, es pequeño.
Los tanques sin calefacción están enfriados por agua del mar, pero pue- den hasta cierto punto calentarse desde los tanques adyacentes. En ge- neral no merece la pena calcular exactamente la temperatura del combustible en dichos tanques; en los cálculos de proyecto suele su- ponerse que to = 5 °C para un tanque lateral, y 10°C para un tanque central, para el caso de una temperatura de agua del mar de -4°C.
2.1.4. Paredes rodeadas de aire.
En primer lugar, aquí se incluye la cubierta del tanque y también los mamparos con tanques vacíos y con una ataguía. En estos casos, ct es menor que a, y determina la transmisión de calor para la mayor par- te. Como ur valor medio puede considerarse 0ext = 6,5 KcalIm2.h.°C;
a puede obtenerse de la Fig. 6.
Para un tanque completamente lleno, o en la cubierta del tanque es bastante alto y comparable con a j para una pared vertical y, en este ca- so puede deducirse su valor de la Fig. 6.
2.15. Pérdida de calor en las cuadernas.
En los tanques de doble fondo, las pérdidas de calor a causa de las cua- dernas son bastante elevadas debido a la relativamente área excesiva de las mismas.
Aunque es posible calcular estas pérdidas de forma separada, es más sencillo aplicar un factor de corrección a los coeficientes de transmisión de calor, a partir de la fórmula:
oic = C.i:Y El coeficiente C puede calcularse a partir de:
2 cc
C = 1
a 1 . S . III donde:
o f es el coeficiente de transmisión de calor de las cuadernas, s es la separación entre cuadernas, y
m es un factor que se calcula a partir de la fórmula:
m=T1
siendo:
X la conductividad térmica de las cuadernas, y 11 el espesor de las cuadernas.
Tomando ,\ = 40 como valor medio, se obtiene la siguiente ecuación:
C = 1 -'-
cc i . s
(tpared + t0)/2
Es lógico esperar un factor de corrección C alto cuando nf> n al apli- car al fondo, y cuando la separación entre cuadernas es pequeña.
Si sólo existen cuadernas en la superficie interior (fondo, forro del cos- tado o cubierta del tanque), el coeficiente total de transmisión de calor, h, puede obtenerse de:
h = 1 1 (11°jC +
o bien, cuando o, es elevado en comparación con °k, de: h = Cuando existen cuadernas a ambos lados, como es el caso de los mam- paros, 0ext debe corregirse de la misma manera.
Cuando existen cuadernas tanto longitudinales como transversales, cu- ya separación es s 1 V s,, entonces C se calcula a partir de:
C = 1 +
2.1.6. Determinación total de las pérdidas de calor.
De lo que antecede se deduce que las pérdidas de calor no pueden cal- cularse con exactitud a partir de valores medios de h. Dependiendo de la viscosidad del combustible, de la temperatura mínima del agua del mar esperada y de la construcción del tanque, los valores de h pue- den determinarse para cada caso en particular.
Tras decidir la temperatura de la pared, se calculan ni y n; después se corrigen los valores de o y se determina h para cada superficie.
Finalmente, las pérdidas de calor se calculan a partir de:
q = h,F,.M
2.1.7. Transmisión de calor en las tuberías de calefacción.
Lo transmisión del calor en las tuberías de calefacción depende mucho de la temperatura de la pared, en este caso, de la temperatura de la tubería. La mayoría de los conductos de calefacción en tanques del do- ble fondo serán horizontales, y para las viscosidades y temperaturas del combustible que se consideran, suele producirse un flujo laminar cuando la temperatura de la pared es inferior a 200 "C.
La Fig. 8 da el coeficiente de transmisión de calor para flujo laminar en tuberías horizontales:
INGEMER1ANA VAL abril98 39 3, 89
dond( ,:
Fig. 9. Coeficiente de transmisión de calor en tuberías con flujo turbulento 90 394
El coeficiente de transmisión de calor del vapor condensado es muy al- to, y en general, ct> 10.000 Kcal/ni.ft°C. Además, puede aceptarse que la condensación sucede a temperatura constante. En la parte de la tubería en que coexisten vapor y condensado, el coeficiente de trans- misión de calor permanece tan alto que es despreciable el error de su- poner la temperatura de la pared igual a la temperatura del vapor saturado.
Cuando la calefacción de los tanques se realiza con aceite térmico en lugar de con vapor, los cálculos son más complejos. Para la superficie exterior no pueden utilizarse los datos de la Fig. 8. El coeficiente de transmisión del calor en el interior de la tubería depende de la tempe- ratura y de la velocidad del combustible térmico, por lo que para com- bustible en concreto se deberán disponer datos específicos. Un caso concreto de aceite térmico es el que se facilitan sus datos en la Tabla 5 siguiente:
40 863 0,468 0,112 45,0
60 850 0,486 0,110 19,0
80 838 0,505 0,109 10,0
100 824 0,525 0,108 6,5
120 811 0,543 0,106 4,2
150 791 0,572 0,104 2,6
200 760 0,620 0,101 1,4
Tabla 5. Constantes físicas de un aceite térmico para calefacción de tanques
Para este aceite térmico, se facilita en la Fig. 9 el coeficiente de trans- misión de calor en la tubería, dependiendo de la temperatura tb y de la velocidad w del aceite térmico, y del diámetro interior de la tubería d1. En este caso, ext es menor que aj y determina la mayor parte de la transmisión de calor. Para aceites térmicos cuya viscosidad no di- fiera mucho de la dada en Tabla 5, no hay problema en usar la Fig. 9:
Antes de iniciar los cálculos, debe elegirse la velocidad máxima w del aceite térmico. Las pérdidas totales de calor se suministran refrige- rando el aceite:
qtot,i - G . e. (t1 - t2)
c es el calor específico medio,
tl y t2 son las temperaturas de entrada y de salida del aceite, G es la masa del flujo, que puede determinarse a partir de la fórmula:
G = ('rr/4).d 2 .w.3600.y siendo y la densidad del aceite.
Después de decidir la temperatura t1 se calculará t2
, y
la temperatu- ra media del aceite se deducirá de:tg = (t1 + t2)12 2.1.8. Ejemplo de cálculo.
Supongamos un tanque del doble fondo de un frutero de 8000 TPM, de las siguientes características:
• longitud: 20 m
• Anchura: 5 m
• Altura: 1,1 m.
• Separación entre cuadernas transversales: s = 0,80 m
• Separación entre cuadernas longitudinales (sólo en el fondo): s
=0,75m
• Espesor de las cuadernas: 5 = 8 mm
• Tubería de calefacción: d i = 41 mm, dext = 48 mm
• Contenido del tanque: fuel oil, 3000 segundos Redwood n' 1 a 100 °F.
Para el cálculo hacemos las siguientes suposiciones:
e El fuel debe tener una temperatura de bombeo (ver Tabla 4): t0
= 38°C
• Temperatura del agua del mar: -4 "C.
• lanques adyacentes:
• frontal: vacío, temperatura del aire: +
• posterior: cargado, pero sin calefacción: +
• central: cargado, pero sin calefacción: + 10°C
• Espacio de carga, temperatura del aire: + 5 °C.
1 'ara el costado exterior, se obtiene de Fig. 6 para tpared de -4 'C:
= 12,6 KcalIm2.h.°C
l'ara el fondo, con una distancia de 5cm entre tubería y fondo:
Para la parte del pantoque que tiene una mcli-
= = 0,120
= 3,2 kca1/m2hC
1 0,75.5.10-2
nación mayor de 450 relativa a la vertical, c j se toma como el valor medio de los valores para el costado y el fondo.
Para los mamparos con tanques cargados pe- ro no calentados, la temperatura de la pared se toma como el valor medio de ambas tem- peraturas del combustible y oj se obtiene de la Fig. 6.
l'or ejemplo, para e] mamparo frontal, tpared = (38 + 5)1 2 = 21,5 °C
ej = 13,8
Para todas las pared€s rodeadas por aire, la tem- peratura de la pared se estima en 30°C.
Los factores de corrección C se calculan como
INGEPIIERIAFIAVA.L abril 98
sigue:
Para el forro del costado, pantoque y fondo, la temperatura inedia de las cuadernas se considera (38-4)12 = 17°C y la Fig. 6 da:
14,1 Kcal/m2.h.°C Entonces, para el forro del costado:
= 1
+ /80a f 8
1 ~ /80. 14,1.8. iø-
= 1,30 12,6.0,80
y para el fondo con cuadernas longitudinales y transversales:
c
- 1 + 14,1 .8 .iO 3 + f 80. 14,1 .8. iO-3= 342
- 3,2.0,8 3,2.0,75
Para las demás superficies la temperatura media de las cuadernas se estima a 30 °C, dando:
af = 12,2 Entonces, para la cubierta del tanque:
c
= 1 + I80.12,2.8.1(Y3= 1,29 12,2.0,8
Para mamparos con tanques cargados, ck i y pueden igualarse, y
para paredes rodeadas de aire:
6,5 KcaI/m2.h.0
Cuando existan cuadernas en la superficie exterior, (-Y,,t se corregirá adecuadamente.
En espacios llenos de aire, a í puede considerarsc igual a 6,5.
La cubierta del tanque en espacios de carga no tiene cuadernas.
Finalmente, h se calcuta a partir de:
k= 1
1 1
a. 1c « cxi siendo en las superficies mojadas:
h = Después de calcular
q = F.h..Xt
para cada superficie, se suman todas las pérdidas de calor.
Todos los cálculos se realizan en la Tabla (, obteniéndose una pérdida total de calor de 80.800 Kcal/h:
Forro y
pantoque <450 19 42 12,6 1,30 16,4 - - - 16,4 13,10
Pantoque>45° 11 42 7,9 1,47 11,6 - - - 11,6 5,35
Fondo 86 42 3,2 3,42 10,9 - - - 10,9 39,31
Mamp. frontal 5,4 33 13,8 1,25 17,3 13,8 1,25 17,3 8,6 1,53
Mamp. posterior 5,4 33 12,2 1,29 15,8 6,5 1,39 9,0 5,7 1,01
Mamp. central 22 28 13,7 1,26 17,3 13,7 1,26 17,3 8,6 5,30
Cub. tanque 100 33 12,2 1,29 15,7 6,5 - 6,5 4,6 15,20
TOTAL: 80,80
Tabla 6. Ejemplo de cálculo de transmisión de calor en un tanque del doble fondo.
2 En kcal/m' h °C En kcal/m 1 h °C En kcal/m' h °C En kcal/m 2 h °C En kca Vm 3 h °C
- En kcaVm h °C
1NGEN!ERL4NA VAL abri!98 395 91
Este combustible debe estar en el tanque de servicio diario a una tem- peratura de aproximadamente 60 °C. Para mantener esta temperatu- ra habrá que suministrar un calor igual a las pérdidas que se producen por conducción y por radiacion.
Es de notar que las pérdidas de calor por el fondo son miy elevadas y representan cerca del 50 "6 de la pérdida total de calor.
2.1.9. Método simplificado de cálculo de calefacción de tanques de doble fondo.
También pueden calcularse las Kcal/hora necesarias para calentar los tanques almacén de fuel en doble fondo de una forma más simplifi- cada que la propuesta por Van der Heeden, admitiendo que las pér- didas de calor de cada tanque se transmiten a través de las paredes del mismo por conducción y por radiación, y que el calor producido por los serpentines de calefacción se transmite al tanque por conducción, convección y radiación.
Una manera más sencilla todavía consiste en suponer:
• el calor necesario para calentar el fuel desde uia temperatura inicial, t (del orden de los lO 'C) hasta la temperatura Íinal, t f (del orden de 25 a 40 C), se calcula a partir de:
= M.0,5,(t - t).1lY Kcallhora
siendo M la masa total de fuel, en toneladas; a este calor habria que añadirle las calorías disipadas, deducidas de:
q2 = S.5O.(t - t e) Kcallhora donde:
S superficie de contacto, en metros cuadrados te = temperatura exterior de la superficieS, en T.
• Para mantener el fuel a la temperatura tí supuesta, se necesita úni- camente el calor q2 anteriormente deducido.
2.2. Calefacción de tanques de servicio diario de fuel-oil.
Los tanques de servicio diario de fuel-oil del motor principal (uno de servicio y otro de reserva), deben tener una capacidad total para ali- mentar al motor principal durante 24 horas. Por tanto, suponiendo un consumo medio de 0,17 kgi'BHP.hora, la capacidad total de estos tanques será de:
M = 4,08 x BHP kg = 4,435 x BHP x 10 m'
2.3. Calentadores de tanques de servicio diario de diesel oil.
El tanque de servicio diario de diesel-oil debe tener capacidad para alimentar al motor principal en maniobras y puestas en marcha, así como para el servicio de los grupos electrógenos durante 8 horas.
Es decir:
M = 1,36(BHP 1 + BHPIA) kg M = 1,60 (BHP 1 + BUP IA) x 10- m
Este combustible está a la temperatura ambiente (unos 25 C) y debe calentarse para su entrada en el motor a unos 42 'C aproximadamente.
Habrá que calcular, por tanto:
• el calor que es necesario transmitirle en los serpentines de calefacción para incrementar la temperatura (conducción, convección y radia- ción), y
• las pérdidas de calor a través de las parcdes del tanque (conducción y radiación).
2.4. Calefacción de tanques de lodos, derrames y residuos.
El consumo de calor por este servicio es sumamente reducido. Por ello, podrá suponerse que se trata de calentar una cantidad de fuel-oil igual al 1 % de la capacidad de los tanques de servicio diario, hasta una tem- peratura de unos 50 °C; es decir:
M = 0,00408xBHP kg q 1 = Mx 0,5 (50- te) Kcal!h considerándose:
te = O 'C para agua de mar, y
te = 25°C para locales adyacentes a la cámara de máquinas.
(Continuará en el número próximo)
92 396 1PIGEMERIANA VAL aaril98