Instalatia de Balast La o Nava Tip Vrachier

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

1

TEMĂ DE PROIECT

Să se proiecteze, după regulile Registrului Naval Român, instalaţia de balast pentru nava vrachier având dimensiunile: - lungimea

L=284,92 m

- lăţimea

B=45 m

- înălţimea de construcţie

D=23,8 m

- pescajul maxim

T=16,5 m

- viteza

v= 14,6 Nd

Proiectul va cuprinde: 1. Calculul volumelor tancurilor de balast. 2. Stabilirea schemei instalatiei. 3. Calculul hidraulic al instalaţiei. 4. Alegerea pompelor. 5. Desenul instalaţiei.

INSTALAŢIA DE BALAST GENERALITĂŢI În timpul navigaţiei şi exploatării unei nave pot apare diverse situaţii când ca urmare a ambarcării incorecte a mărfii la bord , a umplerii asimetrice a tancurilor de balast sau ca urmare a consumului de combustibil din tancurile aflate într-un bord sau altul, nava îşi modifică asieta . Înclinarea transversală are un efect negativ asupra funcţionării instalaţiilor, mecanismelor şi determină o creştere a rezistenţei la înaintare. Instalaţia de balast este destinată corectării asietei afectate de cauzele arătate. Pentru reglarea asietei longitudinale se folosesc tancurile din pupa şi

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

2

prova, pentru reglarea asietei transversale se folosesc tancurile amplasate cât mai departe de planul diametral, iar pentru reglarea pescajului se folosesc toate tancurile. În afara de aceasta, instalaţia de balast este folosită pentru a crea pescajul necesar navigaţiei fără marfa în condiţiile respectării stabilităţii , precum si pentru a crea la pupa navei pescajul necesar funcţionării propulsorului . Elementele componente: a) tancuri de balast ; b) pompe ; c) tubulatura instalaţiei ; d) armături. a) TANCURILE DE BALAST: Tancurile de balast pot fi amplasate în funcţie de tipul şi structura navei în dublul fund , în picuri, în tancurile de gurnă sau în tancurile de sub punte punte. În acest sens de regulă la vrachiere , balastul se amplasează în tancurile de sub punte, în tancurile din dublul fund şi în picuri. Tancurile de balast se vopsesc în interior cu vopseluri speciale anticorozive.

b) POMPELE : Instalaţia de balast de pe fiecare nava , trebuie sa fie deservită de cel puţin o pompa proprie. Se recomandă determinarea debitului pompei de balast, ţinându-se seama de asigurarea vitezei apei de cel puţin 2m/s, cu diametrul tubulaturii de aspiraţie calculat cu ajutorul formulei (1) pentru tancul de balast cu volumul cel mai mare. Pot fi folosite ca pompe de balast si pompele de serviciu general cu debit suficient de mare cum ar fi : pompa de santină , pompa de incendiu sau pompa de rezervă a circuitului exterior. În condiţiile în care tancurile de combustibil sunt utilizate regulat si ca tancuri de balast , atunci folosirea pompei de incendiu si a pompei de rezervă a circuitului de răcire ca pompe de balast este interzisă . De asemenea nici pompa de balast propriu-zisă nu poate fi folosită în scopul stingerii incendiilor şi a asigurării răcirii . Compartimentul pompelor de încărcare de la petroliere trebuie drenate cu ajutorul unor pompe sau ejectoare separate, dispuse chiar în compartimentul pompelor. Constucţia pompelor trebuie să excludă posibilitatea producerii de scântei.

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

3

Instalaţia de balast foloseşte pompe de tip centrifugal care în mod obligatoriu trebuie sa fie autoamorsabile . Pompele de balast lucrează atât pe aspiraţie cât şi pe refulare . c) TUBULATURA INSTALAŢIEI : Tubulatura de balast este formată din ramificaţii ce leagă tancurile de balast de magistrala amplasată în compartimentul maşinii de propulsie . 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 şi atunci când nava este pe asieta înclinată şi să nu fie supusă îngheţării. Fiecare tanc de balast trebuie deservit de o ramificaţie independentă care funcţie de configuraţia tancului , poate avea încă una sau două ramificaţii. Dispunerea sorburilor trebuie făcută în locurile cele mai adânci ale tancurilor, astfel încât sa se poată asigura golirea tancurilor în orice condiţii . În afara tubulaturii de introducere şi evacuare a balastului, tancurile de balast sunt saturate cu reţele 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 . Secţiunea tubulaturii pentru aerisire trebuie sa fie mai mare decât secţiunea tubulaturii de introducere a apei în tanc pentru asigurarea unei bune aerisiri . Sondele de aerisire vor avea o înălţime de minim 760 mm deasupra punţilor principale si de minim 450 mm deasupra punţii suprastructurii . Diametrele interioare ale racordurilor tubulaturii de balast d, pentru fiecare tanc se determină cu formula: d  183 V [ mm]

(1), unde: V- volumul tancului de balast

Diametrele se vor lua după dimensiunea standardizată cea mai apropiată. Diametrul tubulaturii principale de balast trebuie să fie cel puţin egal cu cel mai mare diametru al racordului de aspiraţie determinat după formula (1). d) ARMĂTURILE INSTALAŢIEI : Armăturile instalaţiei de balast sunt din fontă , oţel 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 funcţie de locul de amplasare , precum şi 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 instalaţiei de balast trebuie să permită circulaţia fluidului în ambele sensuri.

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

4

Din acelaşi considerent armăturile de închidere ale sorburilor nu sunt cu reţinere. O construcţie 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 îngheţării secţiunii de intrare sau înfundarea valvulei Kingstone se prevede încălzirea chesonului prin suflare cu abur şi suflare cu aer comprimat. Pentru navele fluviale, care navigă în ape de adâncimi limitate, chesoanele Kingstone se dispun în borduri pentru a facilita aspiraţia apei fără mâl. 1. CALCULUL VOLUMELOR TANCURILOR DE BALAST La proiectarea instalaţiei de balast, a vrachierului, am considerat următoarea amplasare a tancurilor de balast : - în tancurile din dublul fund şi picul prova pentru reglarea asietei longitudinale şi pescajului; - în tancurile laterale de sub punte, antiruliu, pentru reglarea asietei transversale. Tubulatura instalaţiei de balast proiectate este formată din ramificaţii ce leagă tancurile de balast de magistrala aflată în dublul fund , în tunelul central , şi de asemenea face legătura cu pompa si armăturile din compartimentul de maşini . Tubulatura este astfel dispusă încât să asigure umplerea si golirea diverselor tancuri de balast independent . Volumul tancurilor de balast se calculează după formula :

 

V  l  b  d m3

(2), unde: l - lungimea tancului; b - lăţimea tancului; d - înălţimea tancului.

Pentru tancurile din dublul fund volumele sunt: V1t = V1b = 2133 m3 V4t = V4b = 2292,5 m3 V2t = V2b = 2179 m3

V5t = V5b = 1062,27 m3

V3t = V3b = 2179 m3 Tancul din picul prova are volumul : V6 = 2312 m3 Tancurile laterale de sub punte au următoarele volume: V7t = V7b = 2021 m3

V10t = V10b = 1942,64 m3

V8t = V8b = 1979,76 m3

V11t = V11b = 1063,97 m3

V9t = V9b = 1938,51 m3

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

5

Conform recomandărilor registrelor de clasificaţie , diametrul interior al ramificaţiilor tubulaturii de balast pentru fiecare tanc se determină cu formula (1): d  183 V [ mm] (1), unde: V- volumul tancului de balast

Pentru tancurile de balast din dublul fund avem următoarele diametre: d 1  18  3 2133  231,7[mm]

d 2  18  3 2179  233,4[mm] d 3  18  3 2179  233,4[ mm]

d 4  18  3 22 92.5  237,3[mm] d 5  18  3 1062,27  183,7[ mm]

Pentru tancul de balast din picul prova avem următorul diametru: d 6  18  3 2312  238[mm]

Pentru tancurile de balast de sub punte avem următoarele diametre: d 7  18  3 2021  227,6[mm]

d 8  18  3 1979,76  226[mm] d 9  18  3 1938,51  224,4[mm] d 10  18  3 1942,64  224,6[ mm] d 11  18  3 1063,97  183,8[ mm]

Diametrul tubulaturilor magistrale trebuie să fie cel puţin egal cu cel mai mare diametru al ramificaţiilor sau, altfel spus: d magDF  d max  18  3 Vmax DF [mm] d magPP  d max  18  3 Vmax PP [ mm]

unde: Vmax DF = volumul celui mai mare tanc din dublul fund; Vmax PP = volumul celui mai mare tanc de sub puntea principală.

Vmax DF  2312[ m 3 ] Vmax PP  2021[ m 3 ]

Standardizarea diametrelor magistralelor şi ramificaţiilor de tubulatură se face conform STAS-urilor. Conform STAS 404/1-71 vom avea următoarele diametre: Magistralele dublului fund: d ext .STAS  245[mm] . Adoptând grosimea peretelui de 8 mm → d int magDF .STAS  229[ mm] Magistralele tubulaturii de sub puntea principală: d ext .STAS  245[mm] . Adoptând grosimea peretelui de 8 mm → d int magPP.STAS  229[mm] Ramificaţii:

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

6

Pentru tancurile de balast din dublul fund avem următoarele diametre:

d1extSTAS  245 mm  16 mm  d1int STAS  229[mm]

d 2 extSTAS  245 mm  16 mm  d 2 int STAS  229[mm] d 3extSTAS  245 mm  16 mm  d 3 int STAS  229[mm] d 4 extSTAS  245 mm  16 mm  d 4 int STAS  229[mm] d 5 extSTAS  194[mm]  16 mm  d 5 int STAS  178 mm

Pentru tancul de balast din picul prova avem următorul diametru:

d 6 extSTAS  245 mm  16 mm  d 6 int STAS  229[mm]

Pentru tancurile de balast de sub puntea principală avem următoarele diametre: d 7 extSTAS  245 mm  16[ mm]  d 7 int STAS  229 mm d 8extSTAS  245 mm  16[ mm]  d 8 int STAS  229 mm d 9 extSTAS  245 mm  16[mm]  d 9 int STAS  229 mm d 10 extSTAS  245 mm  16[ mm]  d10 int STAS  229 mm d11extSTAS  194 mm  16 mm  d11 int STAS  178[mm]

3.CALCULUL HIDRAULIC AL INSTALAŢIEI. 3.1. DETERMINAREA DEBITULUI MINIM Registrul recomandă determinarea debitului pompei de balast, ţinând seama de asigurarea vitezei apei de cel puţin 2 m/s , cu diametrul tubulaturii calculat pentru tancul de balast cu volum maxim : Qmin 

  dB

2

4

Qmin 

 v min [ m

3

/ s]

3,14  0,229 2  2  0,084[ m 3 / s ] 4

3.2. RECALCULAREA VITEZELOR PE TUBULATURĂ Calcularea vitezelor pe tubulatură se va face cu ajutorul debitului minim calculat. v 

4 Qmin 2 d

v1 = 2 [m/s] v7 = 2 [m/s] v2 = 2 [m/s] v8 = 2[m/s] v3= 2[m/s] v9 = 2 [m/s] 3.3 CALCULUL HIDRAULIC AL INSTALAŢIEI v = 2 [m/s] v = 2[m/s] 4 10 Calculul hidraulic constă în calcularea sarcinii H pentru traseul cel mai dificil, respectiv cu v5 = 3,4 [m/s] v11 = 3,4 [m/s] cele mai multe pierderi. v6 = 2 [m/s] După schematizarea instalaţiei se defineşte caracteristica tubulaturii care se cuplează la pompă. Pentru aceasta se va considera cel mai dezavantajos caz de funcţionare pe aspiraţie, caz ce constă în cuplarea pompei la tubulatura cea mai lungă.

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

7

Situaţia cea mai dezavantajoasă pentru pompa de balast este aceea când pompa aspiră din tancul de balast cel mai din prova şi refulează în tancul cel mai ridicat (forpic, afterpic, tancurile de sub punte, sau peste bord ). Funcţie de valoarea pierderilor hidraulice şi 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 şi pierderile de sarcină locale introduse de către armăturile de pe traseu, coturi, reduceri de diametre, ramificaţii etc. Pierderile geodezice de presiune pe traseu sunt formate din pierderile de sarcină datorate schimbării de cota (înălţimea) la care trebuie să ajungă apa faţă de nivelul pompei. Pentru nava proiect vom considera situaţia cea mai dezvantajoasă de funcţionare a pompei, situaţia în care pompa aspiră din tancul de balast din picul prova T6 şi refulează în tancul cel mai îndepărtat de sub puntea principală . 3.3.1 Calculul pierderilor de sarcină pe aspiraţia pompei a) Calculul pierderilor liniare de sarcină Pentru cazul proiectului nostru luăm în calcul o curgere laminară permanentă sau turbulentă, funcţie de mărimea criteriului Reynolds, prin conductele magistrale şi ramificaţiile acestora, pe lungimea pentru care diametrul se păstrează constant. Valoarea acestor pierderi se calculează cu formula: Plin 

unde:  

 l v2   d 2

64  ; - densitatea apei de mare = 1,025 t/m3 Re Re 

vd 

Re - criteriul adimensional Reynolds; υ - vâscozitatea cinematică a apei , υ = 1,791·10-6 m2/s ρ - densitatea apei de mare, ρ = 1,025 t/m3 Calculul criteriului Reynolds se face pentru cazul d1-2 = 229 mm, viteza adoptată fiind v1-2 = 2 m/s pe magistrală şi pe ramificaţie: Re1 2 

v1 2  d1 2 2  0,229   2,557  10 5  1,791  10 6

Având în vedere că valoarea criteriului Reynolds este mai mare de 3000 situaţia curgerii prin instalaţia navei proiect este cea de curgere turbulentă zona fiind între 2,5·105 şi 3·105 de pe axa absciselor din diagrama prezentată în din diagrama redată în figura 1.19, capitolul 1.5 “Elemente de calcul fluidodinamic în instalaţiile navale”, lucrarea “Instalaţii navale de bord. Construcţie şi exploatare”, autori Ion C. Ioniţă şi Jimbu Apostolache, Ed. Tehnică, Bucureşti 1986. În această situaţie determinarea coeficientului  se face şi în funcţie de valoarea raportului d/k. Valoarea rugozităţii absolute echivalentă este de 0,15 mm pentru ţevi din oţel zincate.

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

8

Se determină raportul d/k: d1 2 0,15   0,00065 k 229

Rezultă din diagrama menţionată valoarea coeficientului

d      Re,  k 

- coeficientul

pierderilor de sarcină liniară

1 2  2,55  10 5 ;0,00065  0,026

Tubulatura din compartimentul de maşini are acelaşi diametru ca şi magistrala. Pentru determinarea pierderilor pe acest traseu trebuie să mai adoptăm şi lungimea de calcul l. l1-2 = 220 m Rezultă: Plin 1 2  1 2 

l1 2 v12 2 220 2 2     0,026    1025  51205  0,51bari d1 2 2 0,229 2 Plin  Plin1 2  0,51bari

b) Calculul pierderilor locale de sarcină Calculul pierderilor de sarcină locale este foarte dificil de efectuat şi în consecinţă, în practică aceste pierderi se determină experimental sau se calculează cu formula: Ploc   

v2   , unde: ς – coeficientul de pierdere de sarcină locală care depinde de forma 2

rezistenţei locale, de numărul Reynolds, de rugozitatea pereţilor iar în cazul armăturilor şi de gradul lor de închidere. Pentru valori ale criteriului Reynolds mai mari de 10 5, influenţa acestui criteriu devine infimă şi poate fi neglijată. Conform ANEXELOR 5/1, 5/2, 5/3 şi 5/4, coeficientul ζ pentru diferite tipuri de rezistenţe locale este (diametrul nominal d =229 mm): - cot la 90o ; ζ = 0,19; - valvulă cu ventil; ζ = 2,0; - T cu flanşe turnat (trecere); ζ = 0,9; - sorb; ζ = 2,5. Pentru traseul 1-2 avem următoarele rezistenţe locale: 1. valvula cu ventil (4 valvule) 2. cot-uri la 90o (5 coturi) 3. T-uri (5 T-uri) 4. sorb (1 sorb) Se poate acum calcula pierderea de sarcină locală: Ploc1 2   1 2 

v12 2 22     4  2,0  5  0,19  7  0,9  2,5   1025  36387 Pa  0,36bari 2 2 Ploc  Ploc1 2  0,36bari

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

9

Pierderea de sarcină pe aspiraţia pompei este: PAsp  Plin  Ploc  0,51  0,36  0,87bari

3.3.2 Calculul pierderilor de sarcină pe refularea pompei a) Calculul pierderilor liniare de sarcină Plin 

 l v2   d 2

Re 23 

v 2  3  d 2 3 2  0,229   2,55  10 5 6  1,791  10

Re 3 4 

v 3 4  d 3  4 3,4  0,178   3,37  10 5 6  1,791  10

Având în vedere că valoarea criteriului Reynolds este mai mare de 3000 situaţia curgerii prin instalaţia navei proiect este cea de curgere turbulentă zona fiind între 2·10 5 şi 4·105 de pe axa absciselor din diagrama redată în ANEXA 1. Calculăm rapoartele d/k: d 23 0,15   0,00065 k 229 d 3 4 0,15   0,00084 k 178

Rezultă din diagrama menţionată valorile coeficientului

d      Re,  k 

- coeficientul

pierderilor de sarcină liniară:

 23  2,55  10 5 ;0,00065  0,026

3 4  3,37  10 5 ;0,00084   0,024 Pentru determinarea pierderilor pe aceste trasee trebuie să mai adoptăm şi lungimile de calcul l. l2-3 = 172 m l3-4 = 1 m Plin 2 3   23 

l 23 v 223 172 2 2     0,026    1025  40033Pa  0,4bari d 2 3 2 0,229 2

Plin 3 4  3 4 

l 3 4 v32 4 2 3,4 2     0,024    1025  1527 Pa  0,01527bari d 3 4 2 0,178 2

Plin  Plin 2 3  Plin 3 4  Plin 4 5  0,4  0,01527  0,41bari

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier

10

b) Calculul pierderilor locale de sarcină Ploc   

v2  2

Conform ANEXELOR 5/1, 5/2, 5/3 şi 5/4, coeficientul ζ pentru diferite tipuri de rezistenţe locale este: Pentru diametrul nominal d = 229 mm: - cot la 90o ; ζ = 0,19; - valvulă cu ventil; ζ = 2,0; - T cu flanşe turnat (distribuţie); ζ = 1,5; Pentru diametrul nominal d = 178 mm: - cot la 90o ; ζ = 0,22; - valvulă cu ventil; ζ = 2,1; - T cu flanşe turnat (trecere); ζ = 0,9; - sorb; ζ = 3,2. Pentru traseul 2-3 avem următoarele rezistenţe locale: 1. valvulă cu ventil (3 valvule) 2. coturi la 90o (4 coturi) 3. T-uri (4 T-uri) Ploc 23   23 

v 223 22     3  2  4  0,19  4  1,5   1025  26158 Pa  0,26bari 2 2

Pentru traseul 2-4 avem următoarele rezistenţe locale: 1. valvula cu ventil (o valvulă) 2. sorb (un sorb) Ploc 3 4

v32 4 3,4 2      3 4     2,1  3,2   1025  31399 Pa  0,32bari 2 2

Ploc  Ploc 2 3  Ploc 3 4  0,26  0,32  0,58bari

c) Calculul pierderilor de sarcină datorită diferenţelor de înălţime (pierderi geodezice) z    g  z R , unde: ρ = densitatea apei =1,025 t/m3 g = acceleraţia gravitaţională = 9,81 m/s2 zR = înălţimea de refulare = 22 m z  1025  9,81  22  221215 Pa  2,2bari

Pierderea de sarcină pe refularea pompei este: PRe f  Plin  Ploc  z  0,41  0,58  2,2  3,19bari

Pierderea totală de sarcină este: H  PAsp  PRe f  87000  319000  406000 Pa

Se face transformarea din Pascali în metri coloană de apă:

Instalaţia de balast la o navă tip vrachier H 

11

H 406000   40,7 mCA   g 1025  9,81

4. ALEGEREA POMPEI Caracteristicile principale care determină tipul şi mărimea pompelor sunt debitul şi presiunea pe care trebuie să le asigure. H = 40,37 m CA Q = 302,4 m3/h Din catalogul de pompe aleg pompa: NTV 630/30A-I-II (n = 1450 rot./min).