lunes, 29 de diciembre de 2008

Motores Diesel. Influencia del contenido de azufre en el combustible

El azufre es un elemento natural del petróleo crudo. Los combustibles que se obtienen del petróleo, pueden variar su % de azufre en dependencia del tipo de crudo. Los combustibles pesados normalmente tienen un alto contenido de azufre.

Los combustibles livianos tienen un menor contenido de azufre porque éste puede reducirse o eliminarse durante el proceso de refinación.

El contenido de azufre en el combustible afecta a los motores diesel de dos formas diferentes. Una tiene que ver con la contaminación ambiental por la emisión de SOx de los gases producidos en la combustión y otra directamente a las partes que componen los motores.

En los últimos años la preocupación por controlar la contaminación que producen los motores diesel, ha ido en aumento. En función de ello la Organización Marítima Internacional (IMO) y la Unión Europea (EU), han establecido límites para disminuir el contenido de azufre en los combustibles pesados empleados en los motores marinos.

Por ello el Anexo VI del convenio Marpol 73/78 de la IMO, que a partir de mayo del año 2006 se hizo efectivo, establece que el límite de contenido de azufre en el combustible aceptado globalmente es del 4,5% y para ciertas áreas tales como el Mar Báltico y Mar del Norte (SECAS) el contenido permitido de azufre es de 1,5 %, buscando atenuar así la formación de SOx “óxidos sulfurosos”.

En referencia a cómo afecta a las distintas partes del motor, podemos decir que un elevado contenido de azufre en el combustible se puede considerar como un enemigo potencial y silencioso para el motor de combustión interna.

Cuando el combustible diesel con azufre se consume en la cámara de combustión de un motor, se forman óxidos de azufre que reaccionan con el vapor de agua para formar el ácido sulfúrico. Al igual que el sulfuro de hidrógeno, si estos vapores de ácidos se condensan, atacan químicamente las superficies de metal de las guías de válvula, de las camisas de los cilindros y pueden afectar los cojinetes. Por ejemplo, cuando la temperatura de las camisas de los cilindros es inferior a la temperatura de rociado del ácido sulfúrico, y el aceite de lubricación no tenga suficiente reserva de alcalinidad (Número de Base) para neutralizar el ácido, las camisas se pueden desgastar diez veces más rápido.

Cuando se producen daños debido a la presencia de azufre en el combustible, habrá pocos cambios en la potencia del motor. Pero, con frecuencia, el desgaste corrosivo traerá consigo un consumo excesivo de aceite y escape de gases, causando la reconstrucción prematura del motor.

Un alto contenido de azufre en el combustible utilizado produce:

Desgaste corrosivo en las zonas de baja temperatura de los pistones y camisas de cilindros. El azufre contenido en el combustible origina la formación la H2SO4 en las zonas subenfriadas de las camisas de cilindros.

La creciente presión de trabajo de los motores actuales facilita que se alcance el punto de rocío de las especies corrosivas que no pueden ser neutralizadas por la reserva alcalina del aceite de lubricación.

Deposición de lacas negras en las zonas internas de las camisas de cilindros.

Desgaste corrosivo por alta temperatura en las válvulas de escape, asientos de válvulas y zonas del pistón directamente expuestas a la combustión.

Un bajo contenido de azufre en el combustible utilizado nos proporciona:

Menores emisiones de SO2 con los gases de escape.

Menor corrosión en frío en las zonas del circuito de gases de escape con temperaturas inferiores a los 150º C (conductos y chimeneas), debido a la menor condensación de ácido sulfúrico como consecuencia de la menor presencia de SO2 y SO3.

Una vez que se han formado los compuestos ácidos en el interior del cilindro la única forma de combatir su efecto corrosivo es con la correcta aplicación de lubricantes con una adecuada base alcalina (BN), que se corresponda con el % de azufre contenido en el combustible utilizado.

El valor de la base alcalina (BN) no es el único criterio de la capacidad del lubricante, pero síi representa la guía más adecuada para proteger el motor del desgaste corrosivo. El lubricante debe poseer suficiente BN en todo momento y nunca debemos dejar que desciendan por debajo del mínimo requerido, de acuerdo al % de azufre del combustible utilizado.

Un importante trabajo de Luis Conde Cid, Francisco Fernández Vacas y Miguel Martínez Melgarejo, que pueden leer en el siguiente link, describe el desgaste adhesivo (scuffing) en motores diesel lentos de dos tiempos, al quemar combustibles de bajo contenido de azufre.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas


domingo, 21 de diciembre de 2008

Motores Diesel. El concepto de “Análisis del Motor” versus "Análisis de la Combustión"

Los tiempos cambian. Desde siempre usamos un aparato mecánico para tomar diagramas de un motor en funcionamiento con la intención de:

1) Calcular la potencia indicada, calculando la superficie del diagrama de cada cilindro, cosa que nunca hice.
2) Tratando de tomar un diagrama abierto, generalmente a mano, en motores de muy pocas RPM, para tener información sobre el proceso de inyección de cada cilindro.
3) Tomar las presiones de compresión y de inyección de todo el motor, más otros datos, como temperaturas de escape, y con todo, tratar de regular el funcionamiento del motor.

Para la mayoría de las personas que conducíamos o teníamos a cargo el mantenimiento de motores, un indicador de diagrama era un aparato de muy alto costo en términos de dinero y creo que nunca pudimos demostrarle a los dueños de los motores la utilidad del uso de los mismos y como podría ayudarlos a bajar el costo en combustible o en mantenimiento.

El análisis del motor es mucho más que el análisis de la combustión, porque involucra el monitoreo de las condiciones reales de los componentes.
Balanceando las presiones pico de encendido podremos conseguir ahorros de combustible del orden del 2 al 5 % y disminuir el costo de mantenimiento, ya que entre el 60 al 70% de la degradación mecánica puede ser atribuida al desbalanceo de las presiones del cilindro.

Hace un tiempo me interesé por un aparato que permite hacer realmente un mantenimiento predictivo de motores, pedí presupuesto a fábrica, y cuando recibí la respuesta del costo, antes de pensar en la parte técnica, pensé como convencer a los armadores de buques que si lo compraban ahorrarían dinero al usarlo.

Años atrás, una publicidad de televisores decía “caro, pero el mejor”, creo que también se puede aplicar en este caso.
Es interesante saber que existe, cómo funciona y espero que alguno tenga la suerte de usarlo.

En el siguiente link encontrarán un PDF “Introducción al Análisis de Motores Diesel” con toda la información sobre el mismo.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

miércoles, 17 de diciembre de 2008

El sistema de Propulsión CODAG (Motores Diesel y Turbinas de Gas combinados)

La solución que adoptaron durante el proyecto del "Queen Mary II"

Desde el inicio de la idea hasta que finalmente entró en servicio, el proyecto del “Queen Mary II” quedó plasmado en un buque de:

Eslora total: 345 mts
Manga: 41 mts
Calado: 10 mts
Potencia instalada: 117,2 MW
Potencia de propulsión: 86 MW
Velocidad: 29,5 nudos


Lo primero fue decidirse por un buque de pasajeros de línea en lugar de un buque de cruceros.

Las principales diferencias técnicas entre ambos tipos de buques son que un buque de línea tiene coeficiente de bloque más modesto y un mayor calado para un buen comportamiento en la mar y gran autonomía, y potencial para una velocidad más alta. También está diseñado estructuralmente para mantener la velocidad en cualquier estado de la mar, con un margen de potencia en servicio suficiente para ello.

A la planta de propulsión se le dio la máxima importancia. Usando datos de numerosos buques en servicio y en especial al Queen Elizabeth II, se dedujo una curva de potencia-velocidad que indicaba que, para la condición de servicio, se requería una potencia de propulsión en torno a 80 MW. Existían varias alternativas de plantas de propulsión e inicialmente se decidió instalar dos pods azimutales y una hélice central de paso controlable, ya que, desde el éxito de los buques de la clase Fantasy, la propulsión diesel - eléctrica ha sido considerada como el modo de propulsión más deseable para los buques de Carnival.

El peso de los pods era un problema y se comprobó que si la potencia se repartía uniformemente entre los tres propulsores, los pods requerirían una potencia del orden de 26,7 MW, que se traducía en que su peso sería superior a 300 toneladas.

Se aconsejó limitar la potencia de los pods a 20 MW (250 t de peso), lo que significaba que la hélice central tendría una potencia de 40 MW. Se consideraba necesaria una hélice de paso controlable con palas de alto skew con el fin de limitar los pulsos de presión, similar de hecho a los dos primeros propulsores instalados en el Queen Elizabeth II, de 45 MW cada uno.

Una vez conocida la estimación preliminar de la potencia y las pérdidas asociadas, se estimó y añadió la carga de hotel (16 MW) para obtener el requisito total de generación de potencia, por flexibilidad y para garantizar que la velocidad requerida pueda alcanzarse mientras se realiza el mantenimiento periódico de los motores diesel, se eligió una configuración de ocho motores diesel en dos cámaras de máquinas.

El único motor semirrápido que podía satisfacer el requisito de potencia era el motor Wärtsilä Vasa 64 de 12 cilindros, pero el tamaño de este motor y la falta de experiencia de Carnival/Cunard con él era un hándicap importante. Además, se requerían cuatro guardacalores extendiéndose a través del buque, los cuales habrían restado espacio a los locales públicos.
Chantiers de l'Atlantique propuso una configuración CODAG (diesel y gas combinada) basada en dos turbinas de gas General Electric LM25O0+ de 25 MW, cada una, situadas en una cámara de turbinas localizada inmediatamente detrás de la chimenea, y cuatro motores diesel Wärtsilä 16V46C, que desarrollan una potencia unitaria de 16.800 kW a 514 rpm, instalados en una única cámara de máquinas.

Una planta propulsora CODAG, balancea las conocidas ventajas y desventajas de la propulsión Diesel y la propulsión turbogas, en un amplio espectro de velocidades, como son: el consumo específico y autonomía razonables a velocidades moderadas (potencia relativamente baja) al ser impulsado por la planta Diesel, con emisiones de gases de baja energía, y por otro lado una alta densidad de potencia, en peso y volumen, con menores solicitaciones termomecánicas para la operación a alta velocidad, al ser impulsado por la turbogas, además de proveer al buque un bajo nivel de ruido.

Con esta planta propuesta, el buque estaría propulsado por cuatro propulsores pod Mermaid de 21,5 MW, los dos de proa fijos y los otros dos azimutales, desarrollados conjuntamente por Kamewa y Alstom. Los pods han sido especialmente diseñados para la velocidad máxima de operación del buque, siguiendo un extenso programa de investigación. Los cuatros propulsores pod Mermaid han sido suministrados por Rolls-Royce.
Con la propulsión azipod no son necesarias líneas de ejes, timones y servomotores, por lo que hay un ahorro de peso y espacio, que puede estar disponible para otros usos, tales como una mayor capacidad de pasajeros.
Los cuatro motores diesel Wärtsilä 16V46C desarrollan una potencia total de 67.200 kW con la que el Queen Mary II puede alcanzar una velocidad de 23,5 nudos. Los cuatro motores diesel y las dos turbinas de gas funcionando proporcionan una potencia suficiente para la carga de hotel y 86.000 kW para la planta de propulsión que permite que el buque alcance una velocidad en pruebas de más de 29,5 nudos.
El equipo de diseño del Queen Mary II también identificó que la planta de propulsión tendría otras ventajas para el buque y su operación, tales como la eliminación del guardacalor de la segunda cámara de máquinas, que liberaba una cantidad considerable de espacio dentro de los locales públicos y camarotes, y que el motor propuesto ya había sido instalado anteriormente en buques en servicio en la flota de Carnival.
Esta combinación de turbinas de gas y motores diesel tiene otra ventaja, una buena flexibilidad operacional y redundancia para una operación normal. Al tener los grupos de motores diesel-alternadores y los de turbinas de gas-alternadores, cuadros eléctricos diferentes y estar separados una distancia considerable, un incidente que deje inoperativa a una u otra fuente de generación de energía eléctrica no dejará necesariamente inoperativo al buque.
Sin embargo, existen algunas desventajas. El diseño original de Chantes requería una manga de 39 metros pero, al eliminar motores diesel de gran peso de la parte baja del buque y reemplazarlos por turbinas de gas, ligeras, en la base de la chimenea, se requería un ajuste de la estabilidad. Por tanto, se incrementó la manga a 40 metros, aunque finalmente quedó fijada en 41 metros. Por otra parte, la disposición CODAG requiere que el buque transporte dos combustibles diferentes: fuel-oil para los motores diesel y gas-oil para las turbinas de gas.
Los motores Wärtsilä 16V46C usan un sistema de inyección de combustible con rail común, controlado electrónicamente, que permite una combustión limpia sin humo visible a cualquier carga. Esto es particularmente beneficioso en puerto donde los motores pueden funcionar con carga parcial suministrando potencia para el alumbrado, aire acondicionado y otros sistemas de hotel. En común con otros tipos de motores diesel, esta serie cumple los límites actuales sobre emisiones de NOx. Además, un bajo consumo de combustible da lugar a emisiones de CO2 más bajas que las de otros motores alternativos.
Las turbinas de gas han sido especialmente diseñadas para el Queen Mary II y son 35 t más ligeras que anteriores turbinas LM2500+ instaladas en otros buques. Ofrecen un empacho reducido y bajos niveles de ruidos y vibraciones así como un menor mantenimiento, y un arranque más rápido, ya que se necesitan sólo unos minutos para pasar de frío a plena carga. Los aspectos de diseño permitían que el astillero tuviera flexibilidad, especialmente con respecto a su instalación a bordo. Además, el volumen y peso de los conductos de admisión, escape y ventilación se redujo significativamente.

Con esta disposición, y el hecho de que Carnival/Cunard tienen tolerancia cero en lo que concierne a las emisiones, en el Maritime Institute, de Dinamarca, se realizaron ensayos sobre emisiones de humos con el fin de optimizar la forma de la chimenea. La chimenea causaba un problema particular debido a la altura del Puente Verazzano, uno de los puentes que hay a la entrada del puerto de Nueva York.
Con la capa de contorno situada casi al nivel de 62 metros habría sido conveniente haber incrementado la altura de la chimenea para que fuese más efectiva pero, como ésta no era una opción posible, hubo que encontrar otra solución para alejar el humo de la parte alta de la chimenea. Esto se consiguió mediante la optimización de la cavidad del viento en la base de la chimenea que es reminiscente de la del Queen Elizabeth II.

Fuente INGENIERÍA NAVAL - ENERO 2004

martes, 16 de diciembre de 2008

Motores Diesel. Mejorar las Prácticas de Lubricación.

Llega un momento en que las personas que estamos a cargo de la conducción o mantenimiento de Motores Diesel decidimos que llegó la hora de actualizar las prácticas de lubricación en los motores a nuestro cargo, posiblemente con el objetivo de disminuir los costos de mantenimiento.

Lo primero en que pensamos es en la utilización de Análisis de Aceite para ayudarnos a cumplir con el objetivo. Este es un proceso científico de ensayos de laboratorio con el fin de determinar la presencia y origen de contaminantes en el aceite, así como de verificar eventuales cambios en las características del fluido.

Mediante la aplicación de estos datos es posible detectar en forma incipiente la aparición de problemas que evitan el desarrollo de fallas catastróficas en los motores diesel.

Ahora bien, recibir un informe del laboratorio no significa “utilizarlo”. Hasta que los resultados sean implementados para reducir el desgaste, no son “utilizados”.

Un buen plan de lubricación tiene que incluir análisis, pero solamente haciendo analizar el aceite no podemos calificar el plan como bueno. El hecho de enviar el aceite al laboratorio es solamente un paso en una parte de un programa más amplio. Un estudio reciente demuestra que un gran porcentaje de los diagnósticos sirven solo para ser archivados y olvidados.

Para que el aceite pueda cumplir satisfactoriamente sus funciones debe mantenerse limpio, químicamente estable y libre de contaminantes. La degradación y la contaminación del aceite son los síntomas que sirven para controlar el estado del sistema de lubricación.

Estudios desarrollados y avalados por la STLE (Asociación de Tribología e Ingenieros en Lubricación por sus siglas en inglés), establecen que el 80% del desgaste es causado por la contaminación de los lubricantes y que el 30% de los lubricantes son cambiados cuando aún pueden seguir trabajando.

La contaminación del aceite se debe a la presencia de sustancias extrañas, tanto por causas externas como internas, alterando las propiedades físicas y químicas del aceite acelerando su degradación.

La degradación del aceite es el proceso por el que se reduce su capacidad para cumplir sus funciones por alteración de sus propiedades, produciendo sustancias no solubles en el aceite que facilitan el proceso de desgaste.

Si queremos alcanzar la excelencia en lubricación debemos establecer un punto de referencia, e identificar las oportunidades para mejorar. Una vez hecho esto, hay que desarrollar un plan para implementar los cambios y por último un plan de monitoreo y mejoramiento continuo identificando nuevas oportunidades donde trabajar para el logro de nuestros objetivos.

Para establecer el inicio de nuestro plan debemos tener en cuenta:

Selección de Lubricante
Compra de lubricantes
Almacenamiento de Lubricantes
Manejo de lubricantes (cambio de aceites, relleno y re-engrase)
Sistemas de aplicación de lubricantes
Consolidación de lubricantes
Programación y control de las rutinas de lubricación
Análisis de aceite
Entrenamiento en las mejores prácticas y selección de lubricantes
Disposición de lubricantes usados

Debemos pensar que no hay un camino corto para la excelencia en lubricación y no podemos esperar que una sola acción aislada nos lleve a lograr nuestros objetivos.
La mayoría de los planes fallan al intentar implementar cambios permanentes porque tratan de mejorar la lubricación simplemente por la adquisición de herramientas, equipos novedosos, lubricantes sintéticos, u otras cosas que supuestamente creará el éxito instantáneo.

En las prácticas de lubricación hay muchos hábitos difíciles de romper y debemos saber que el mejor aceite del mundo o un completo análisis de aceite no cubrirá los errores de procedimientos.

Ver también:

Mantenimiento Proactivo. Concepto de Confiabilidad

En Mantenimiento, Controlar pequeñas cosas para obtener Grandes resultados

De aceites y costos de mantenimiento

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

viernes, 12 de diciembre de 2008

Motores Diesel- MAN Diesel y Wärtsilä unidas en el proyecto Hércules

El transporte marítimo es un medio imprescindible para el comercio internacional. En el 2008 se transportarán por mar casi 8.000 millones de toneladas de mercancías, con una distancia media de unas 4.500 millas.

Aunque la navegación se considera el transporte más ecológico, las emisiones de aire procedentes de los gases de los barcos todavía preocupan a ecologistas e ingenieros marinos por igual.

En los buques, el consumo de energía y sus emisiones de CO2 por tn x milla son, en promedio, del orden de la cuarta parte de las del transporte por carretera y casi la centésima parte de las del transporte aéreo.

El proyecto Hércules (High Efficiency Research & Development on Combustion with Ultra Low Emissions for Ships), es coordinado desde Grecia por el Dr. Nikolaos Kyrtatos, con un presupuesto de 33 millones de euros, proviniendo la mitad de la Comisión Europea.

Sus principales objetivos son:
1) Descenso del consumo de fuel
2) Reducción en 1/3 de las emisiones de dióxido de carbono
3) Garantía de que los motores resulten más fiables en un 20%

En declaraciones recientes el Dr. Kyrtatos informó:

«El principal objetivo del proyecto HÉRCULES consiste en desarrollar motores eficientes que utilicen menos combustible y produzcan por lo tanto menos emisiones».

«De esta forma, tendremos motores de barco que podrán superar la legislación existente y futura sobre las emisiones de combustibles de las embarcaciones marítimas».

Una de las numerosas innovaciones del proyecto hasta la fecha ha sido el desarrollo de dos potentes prototipos de «motores de parámetros extremos» capaces de funcionar bajo condiciones térmicas y mecánicas extremas.

«Creo que el desarrollo del motor de parámetro extremo es algo que nos supuso mucho esfuerzo y que exigió la sinergia de los diferentes socios del proyecto en diversas áreas de la ingeniería. Así que creo que por el momento es una de las innovaciones estrella de las múltiples que surgirán del proyecto».

El proyecto ha embarcado a más de cuarenta organizaciones de diez países, entre las que se encuentran dos de las mayores empresas del mundo constructoras de motores diesel, que suelen ser intensos competidores habituales dentro del mercado de barcos, como MAN Diesel y Wärtsilä.

La cuestión energética, es sin ninguna duda, una de las que más preocupa a nivel internacional y gran parte de las políticas actuales están orientadas al desarrollo y mejoras que ayuden a reducir el consumo de petróleo y a reducir las emanaciones de gases contaminantes a la atmósfera.

En el siguiente video podrán ver la explicación del Proyecto Hércules
http://www.youtube.com/watch?v=vPG7nbOUsHU

Ver también en los siguientes links:
Contaminación de la Atmósfera por las Máquinas de Barcos

Motores Marinos. Evolución de la eficiencia energética

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

jueves, 11 de diciembre de 2008

Motores Diesel. Distintos Contaminantes y sus efectos sobre el Aceite Lubricante y el Motor

La contaminación del aceite lubricante es el enemigo más importante para el buen funcionamiento de los Motores Diesel y la podríamos definir como cualquier cosa que se encuentre en el aceite y que no debería estar ahí.

Se introduce desde la atmósfera o es generado en el interior del motor.
Es causante de diferentes problemas y una preocupación para las personas encargadas de la conducción o mantenimiento de los mismos.

La siguiente es una Guía Rápida sobre los diferentes Contaminantes, los Efectos sobre el aceite y el motor y las Causas Probables donde se originan.

Contaminante: Partículas metálicas

Efectos:
Aumento de:
Oxidación del aceite por efecto catalítico
Formación de depósitos
Desgaste abrasivo
Incrustaciones en los cojinetes
Saturación del filtro de aceite

Causas probables: Desgaste del motor
Residuos de fundición

Contaminante: Hollín

Aumento de: Ennegrecimiento del aceite
Viscosidad del aceite
Formación de depósitos, floculación
Saturación del filtro de aceite

Causas probables: Mala combustión
Puntos calientes en la parte alta del motor, (pistones/cilindro)
Desgaste de los aros
Entrada de aire defectuosa

Contaminante: Productos de Oxidación. Solubles e Insolubles

Aumento de: Depósitos de barnices y lacas
Corrosión de los cojinetes
Viscosidad del aceite
Acidez del aceite
Disminución de: Estabilidad del aceite
Detergencia del aceite

Causas probables: Temperatura del aceite del cárter muy elevada
Puntos calientes en la parte alta del motor
Largo periodo de utilización del aceite
Baja relación carburante/aire
Encendido defectuoso
Mala ventilación del cárter
Elevada cantidad de gases en el cárter
Sobrecarga del motor

Contaminante: Perdida de detergencia

Aumento de: Depósitos
Desgaste del motor

Causas probables: Alto contenido de agua
Alto contenido de hollín
Aceite muy oxidado

Contaminante: Agua y glicol

Aumento de: Depósitos de barro
Emulsión
Herrumbre y corrosión
Depósitos de lacas
Disminución de: Estabilidad del aceite
Detergencia del aceite

Causas probables: Condensación por baja temperatura de funcionamiento
Importante cantidad de gases en el cárter
Fuga en el circuito de refrigeración

Contaminante: Combustible

Aumento de: Desgaste del motor
Depósitos de lacas y barnices
Disminución de: Estabilidad del aceite
Viscosidad

Causas probables: Caudal de gasoil elevado
Inyección defectuosa
Fugas en bombas y tuberías
Elevada cantidad de gases en el cárter

Contaminante: Polvo y suciedad

Aumento de: Desgaste abrasivo
Depósitos
Espuma
Saturación de filtros de aire y aceite

Causas probables: Filtros de aire o aceite inapropiados
Fugas en los sistemas de admisión
Combustible contaminado y mala filtración
Manipulación sin precaución del lubricante

Ver también en los siguientes links:
Contaminantes del aceite en los Motores Diesel I - Hollín

Contaminantes del aceite en los Motores Diesel II- Agua
Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

martes, 9 de diciembre de 2008

Motores Diesel. El concepto de “Motor sin Humo”

Debido al cumplimiento de las reglamentaciones de la IMO sobre bajas emisiones de gases de escape o como una condición comercial por menores consumos de combustible, costos de mantenimiento y para el confort de los pasajeros en los cruceros y barcos de pasaje, el humo visible a la salida de la chimenea se ha convertido, en la última década, en un tema muy importante entre los constructores de grandes motores diesel.


Las actuales tecnologías, como la de inyección de combustible conocida como Common Rail, el precalentamiento del aire de carga con calor residual, tubocompresores de alto rendimiento a carga parcial, cámaras de combustión optimizadas para reducir los humos y la alta presión de inyección permite disponer de motores “sin humo” visible a cargas por encima del 25%, tanto en motores de velocidad media de 4 Tiempos, como en motores lentos de 2 Tiempos.


Para evitar el humo con cargas menores es necesario evitar que las gotas formadas al inyectar el combustible dentro de la cámara de combustión entren en contacto con las superficies metálicas.
Esto puede lograrse con gotas de combustible pequeñas, retardo de encendido breve, alto acceso de aire y mucho espacio entre la tobera de inyección y la cavidad del pistón.

En estos temas se ha trabajado intensamente y se ha comprobado que el tamaño de las gotas de combustible, es el que tiene mayor potencial para mejorar.

En los sistemas de inyección mecánica, la presión de inyección es función de la velocidad y de la carga del motor, lo que hace que, a baja carga disminuye la presión de inyección, aumentando el tamaño de las gotas de combustible, chocando éstas sobre las superficies metálicas dentro de la cámara de combustión.
El uso del sistema Common Rail permite mantener alta presión de inyección y por lo tanto, la formación de pequeñas gotas a régimen de velocidad muy lento.


Los sistemas de inyección con control electrónico permiten elegir los parámetros óptimos de funcionamiento del motor como el tiempo de inyección o la presión de inyección, independientemente de la velocidad del motor. Con esto logramos menor consumo de combustible, emisiones más bajas de NOx, posibilidad de arrancar el motor sin humo visible y menores costos de mantenimiento.


Desde que las emisiones de NOx en los motores diesel se convirtieron en objeto de atención, los valores han descendido de manera constante. Las últimas tecnologías para lograr esta reducción se basan en introducir agua presurizada en el proceso de combustión. El agua presurizada se agrega al aire después del turbocompresor, donde se evapora inmediatamente, debido a la alta temperatura del aire comprimido y entra en los cilindros como vapor, bajando las temperaturas de la combustión, disminuyendo la formación de NOx hasta el 50%.


Ver también en el siguiente link:
El sistema Common-rail en los motores de cuatro tiempos de Wärtsilä

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

domingo, 7 de diciembre de 2008

Motores Diesel “de 2 ó 4 tiempos”

Cuando las personas relacionadas con los Motores Diesel montados en la Sala de Máquinas de los barcos nos juntamos en “charlas de café” o foros por Internet, siempre surge la comparación entre: “Motores Diesel de 2 ó 4 Tiempos”.

Como casi siempre, cada uno da un punto de vista de su experiencia personal.

Opiniones como que: “el motor de dos tiempos es más eficiente, tiene mayor rendimiento, mejor mantenimiento y menor consumo de combustible”.

¿Menor consumo de combustible? ¿y los consumos de aceite? ¿cuál es el consumo de aceite de un motor de 2T? Además, se debe disponerse de aceites diferentes para lubricación del motor y para lubricación de los cilindros.

¿Y en relación al peso?. En el caso de los de 2 tiempos, ¿Cuánto pesa cada pieza de un motor de cientos de toneladas de peso, por ejemplo, una biela o un cojinete del cigüeñal?, y en los de 4 tiempos, debemos tener en cuenta la reductora, que ya no hace tan amplia la diferencia en peso.

¿Y sobre la potencia?. En la actualidad, el motor de 4 tiempos más potente de MAN B&W es el 18V48/60B 21600 kW (unos 29.000 BHP) mientras que el motor MAN B&W de 2 tiempos 14K108 ME-C, de aplicación a los modernos megaportacontenedores (15.000 TEU) es capaz de proporcionar 97.300 kW (132.000 BHP). ¿Montar un solo motor de 2 tiempos o dos de 4 tiempos?

Podríamos seguir con este tipo de comparaciones hasta cansarnos. En el siguiente link, podemos leer un estudio del Dr. Ingeniero Naval Luis López Palancar

http://www.repuestosbarcos.com/art_motoresdiesel03.htm

y un foro en el cual muchas personas dan su opinión que nos puede aclarar el tema.

http://www.ingenierosnavales.com/foros/verforo.asp?idforo=4

Independiente de los distintos argumentos a favor de uno u otro sistema, recordemos que los Motores Diesel de 2T o los de 4T, los eléctricos, las turbinas de vapor y las de gas son todas opciones posibles para la propulsión de barcos.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas

viernes, 5 de diciembre de 2008

Propulsión Eléctrica en los Buques (IV)

El concepto CRP (Contra-Rotating Propulsion) Azipod de ABB

Como siempre comentamos, no solo el alto precio o la posible falta de petróleo en el futuro preocupa a los constructores o a los armadores de buques.
Las emisiones de gases de la combustión a la atmósfera provocando “lluvia ácida” o “efecto invernadero” es también una preocupación importante.
Tanto las emisiones de SOX, como las de CO2 son proporcionales, al consumo de combustible, por tanto, el aumento del rendimiento de las plantas propulsoras es el objetivo de toda la industria en conjunto.

El proyecto ENVIROPAX

En un proyecto de I+D, financiado en parte por el gobierno finlandés se unieron
ABB, Kvaerner Masa- Yards y Wärtsilä.

ABB es una compañía destacada en el sector de la propulsión diesel-eléctrica y con marcas registradas como AZIPOD, Kvaerner Masa-Yards en construcción naval y Wärtsilä en motores marinos.

En el proyecto ENVIROPAX se estudiaron dos conceptos de barcos Ropax de rápido desplazamiento con propulsión CRP Azipod.

Se ensayaron y analizaron aspectos hidrodinámicos de los sistemas de propulsión utilizando exactamente el mismo casco de barco para determinar con claridad los efectos de diferentes hélices y unidades POD.



El estudio completo del proyecto es muy interesante pero aquí trataré solamente de explicar el concepto y alguna aplicación.

Una de las muchas conclusiones que sacaron, fue que el reparto de la potencia entre las hélices tiene un importante efecto sobre la eficiencia global, ya que afecta mucho al coste del sistema de propulsión.
El reparto de la potencia es probablemente el aspecto más importante cuando se evalúa este tipo de sistema de propulsión para un barco.

Propulsión CRP Azipod en funcionamiento

El concepto de propulsión CRP Azipod se ha aplicado a dos transbordadores rápidos que operan en Japón y son los primeros barcos que cuentan con este tipo de propulsión.
Los transbordadores Hamanasu y Akashia de Shinni Honkai llevan en servicio desde junio de 2004.


Los barcos se construyeron en el astillero Heavy Industries que Mitsubishi tiene en Nagasaki. El concepto operacional se basa en una elevada velocidad de crucero (30,5 nudos).

Estos buques están diseñados para conseguir una navegación suave.
La unidad Azipod funciona también como timón y mejora la gobernabilidad estabilizando el flujo y aumentando la potencia. Facilita la maniobrabilidad en puerto, especialmente a bajas velocidades, y reduce el tiempo de atraque.

El diseño de la planta de propulsión incluye dos motores Wärtsilä 12V46 que impulsan una hélice principal de paso regulable a través de una caja de engranajes de doble entrada y salida única. Otro par de motores 12V46 mueve los alternadores que suministran energía eléctrica a la unidad Azipod.


La distribución de potencia es de 25,2 MW en la hélice principal y 17,6 MW en la unidad Azipod, lo que hace un total de 42,8 MW. Para conseguir la misma velocidad de navegación, un sistema de propulsión convencional de doble eje requeriría una potencia total instalada de aproximadamente 47 MW.

Tras varios meses de funcionamiento en su ruta, la compañía naviera sabe que, durante el mismo servicio de 24 horas, los dos barcos ahorrarán el 20% de combustible en comparación con los dos antiguos transbordadores accionados con motor diesel, de doble eje, que operaban temporalmente en la ruta.

Con respecto a la velocidad de régimen, en las pruebas de velocidad, con una potencia repartida entre la hélice de proa (55%) y la de popa (45%), el buque registró una velocidad máxima de 32,04 nudos, un logro notable comparándolo con la velocidad de régimen de los transbordadores de doble eje que era sólo 29,4 nudos.
En relación con la capacidad de transporte, los antiguos transbordadores, tienen una capacidad de 15% menor que la de los nuevos barcos.

El uso de la transmisión de energía eléctrica y tecnología CRP proporciona un ahorro considerable a las compañías navieras gracias a la reducción del consumo de combustible, a los menores costes de mantenimiento y la mayor flexibilidad durante el diseño del barco.

Otra importante ventaja es que se reduce la contaminación, un factor que ganará en relevancia a medida que la legislación medioambiental se vaya haciendo más estricta.

Ver también:

Propulsión Eléctrica en los Buques (I)

Propulsión Eléctrica en los Buques (II)

Propulsión Eléctrica en los Buques (III)

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas


miércoles, 3 de diciembre de 2008

Propulsión Eléctrica en los Buques (III)

La Energía Solar y su uso en la Propulsión de Embarcaciones.

Desde el año 1839, cuando Jacobi monta un motor eléctrico alimentado a baterías sobre una embarcación y logra desplazarla en una prueba en el río Neva a una velocidad de 2,25 nudos llevando 14 personas a bordo, han pasado muchos años.
En esa prueba, el electrolito de la batería, de 64 elementos, lo forma a base de ácido sulfúrico y ácido nítrico, siguiendo las recomendaciones publicadas por el físico británico William Grove.
Previamente, en el año 1838, había probado a alimentar el motor con baterías Daniell constituidas por 320 elementos formados por placas de cobre y zinc (la velocidad alcanzada con estas baterías era de 1,25 nudos), pero el resultado no fue satisfactorio debido a la enorme cantidad de vapores asfixiantes emitidos. Con la nueva batería de Grove consiguió reducir el tamaño de la misma a la quinta parte.

Estando el mes pasado en Suiza y recorriendo los diferentes lagos de los muchos que tienen, encontré varios proyectos de propulsión de barcos con motor eléctrico alimentado por la energía absorbida por paneles fotovoltaicos y almacenada en baterías reciclables. Hoy no son las mismas baterías del año 1839 y tienen la ventaja que se cargan por Energía Solar.

En el Lago Léman encontré el Aquarel, y podemos encontrar todos los datos y fotos en http://www.mwline.ch/fr/bat/aqua1050/1050Std.html

Aquarel-Lago Léman-Lausanne-Suiza

En la región conocida como de “los tres lagos”: el de Neuchatel, Murten y Biel, se encuentra en éste último el MobiCat.

Este catamarán fue desarrollado por la sociedad Mont-Soleil, a partir de un proyecto del ingeniero Rudolf Minder. Con 33 metros de eslora y capacidad para 150 pasajeros, costó unos 1.6 millones de dólares. Puede alcanzar una velocidad máxima de 11,5 nudos y una velocidad de crucero de 7,5 nudos, libre de emisiones a la atmósfera, y con una navegación silenciosa.

MobiCat

Un techo de paneles solares de 200 metros cuadrados proporciona autonomía a la nave por un periodo de 3 a 4 horas, incluso en tiempo nublado.

Considerado por uno de sus realizadores como ‘un barco inteligente’ y útil en periodo estival, su mayor reto será el de comprobar que se trata de un proyecto rentable.

El Sun 21

Sun21, un catamarán de 14 metros de eslora que utiliza como único combustible la energía del sol. Este barco es el primero de estas características en cruzar el océano Atlántico sin consumir una sola gota de petróleo.
Cuenta con una capacidad para 20 personas y navega gracias a un motor eléctrico alimentado sólo de la energía absorbida por paneles fotovoltaicos y almacenada en baterías reciclables. Esto le permite viajar tanto de día como de noche entre 5 y 6 nudos, una velocidad media similar a la de un velero. Su velocidad máxima es de 9 nudos.

Su bautismo tuvo lugar en Basilea (Suiza) y ha navegado por el Rin hasta Rótterdam desde donde fue trasladado por un buque de carga hasta España.

La verdadera salida de la expedición se efectúo en Sevilla, de donde partió Cristóbal Colón en su época, con rumbo a las Antillas; Llego a Martinica en las Antillas Francesas, cruzando el Océano Atlántico, 29 días después de su partida. Desde allí, el Sun21 puso rumbo a Miami y luego la costa estadounidense con destino final, la ciudad de Nueva York.

El viaje del Sun21 cubrió en total unas 7.000 millas náuticas, es decir, cerca de 12.000 kilómetros sin utilizar una sola gota de carburante, porque su desplazamiento fue accionado únicamente por la energía solar.

Sun21

Durante su travesía, en el cruce de Atlántico, el catamarán produjo unos 2.000kWh de energía solar.La mitad de la energía absorbida durante la jornada por las células solares es almacenada en baterías que permiten al barco seguir moviéndose durante la noche. Si el cielo permanece nublado mucho tiempo, se reduce la velocidad.

Ver también:

Propulsión Eléctrica en los Buques (I)

Propulsión Eléctrica en los Buques (II)

Propulsión Eléctrica en los Buques (IV)

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas


martes, 2 de diciembre de 2008

Propulsión Eléctrica en los Buques (II)

Desarrollo y ventajas de los POD´s

Después de más de 15 años de instalados por primera vez, la propulsión por POD´s, ya ha dejado de ser una nueva tecnología revolucionaria y está aquí para quedarse y ser utilizada como propulsión para diferentes tipos de buques mercantes.
Hoy, con su uso en buques de diferentes potencias de máquinas y de diferentes características, es fácil olvidarse que ABB y Kvaerner-Masa Yards inventaron esta tecnología para ser aplicada a un rompehielos.

Los POD´s lograron remplazar el tradicional sistema de propulsión máquina-eje-hélice-timón por una unidad de propulsión eléctrica, ubicada en una barquilla, capaz de girar azimutalmente 360º, suspendida en la popa del buque, que por lo tanto hace innecesario el timón y el servomotor.
Dado que puede proporcionar todo el empuje en cualquier dirección, la
maniobrabilidad es extraordinaria.


El primer POD´s fue fruto de la colaboración entre ABB Industry of Finnland y KVAERNER MASA YARD y montado, por transformación, en 1990, en el buque de servicio (Buoy tender) SEILI.

AZIPOD es el nombre comercial registrado por ABB pero en esta primera construcción no se llamo Azipod sino Cyclopod por estar alimentado a través de un convertidor directo de frecuencia (cicloconvertidor).

El POD incorporaba un motor síncrono con una potencia de 1.500 kW. Previamente el buque tenía una potencia de máquina de 1600 kW, estaba dotado de timón y hélice de paso variable y podía navegar con hielo de 45 cm. de espesor. Después de la modificación, a pesar de haberse reducido la potencia propulsora en 100 kW, debido al mayor rendimiento, podía navegar con hielos de 55 cm. y tenía capacidad para navegar hacia popa, rompiendo hielo, cosa que antes de la transformación, debido a la disposición del timón, no podía hacer.

Hoy ABB es el líder en este tipo de Propulsión, lo siguen Mermaid de Kamegua/Alstom, SSP de Siemens/Schottel y Delfin de Atlas/Lips/STN.

En principio, Azipod, Mermaid y Dolphin, son similares, pero el SSP utiliza dos hélices directamente unidas al eje del motor eléctrico, girando en la misma dirección, la de proa tirando y la de popa empujando. Con esto se logra repartir la potencia entre ambas, además, hacia la mitad de la góndola del POD se disponen unas aletas laterales que junto con la parte vertical de sustentación, desvía el flujo tangencial de las corrientes de agua procedentes de la hélice de proa y la dirige de forma axial hacia la de popa, permitiendo reutilizar y aprovechar la energía de los remolinos generados por la hélice de proa.


A medida que estos sistemas fueron desarrollándose y aplicándose a distintos tipos de buques se fueron comprobando las ventajas de su utilización y las pocas fallas que tuvieron al principio fueron superadas sin mayores inconvenientes.

Las principales ventajas de este sistema las podemos resumir en:

A) Excelentes características dinámicas y de maniobrabilidad, incluso en entornos árticos o de mar gruesa. Radio de giro mucho menor.

B) Eliminación de la necesidad de:
Largas líneas de eje
Timones
Reductoras
Hélices transversales de proa
Hélices de paso variable

C) Al basarse en el concepto de diesel o turbo eléctrica ofrece:
Diferentes soluciones para el proyecto de cámara de máquinas
Reducción de ruido y vibraciones
Aumento de la seguridad (sistema redundante)
Mínimo tiempo de reacción

D) La flexibilidad operativa da como resultado:
Menor consumo y menor contaminación ambiental al poder trabajar los motores diesel a velocidad constante en torno a la carga óptima con máxima eficiencia.
Reducidos costos de mantenimiento
Redundancia adecuada con menor potencia instalada

E) La unidad POD´s es en sí misma un diseño flexible
Puede construirse como tractora o impulsora
Posibilidad de trabajo a muy bajas revoluciones derivado del hecho de ser alimentado a través del convertidor de frecuencia. El par puede ser el máximo a cualquier velocidad.
Para aguas libres o zonas con hielo
Puede ser equipado con hélices oblicuas
Puede ser equipado con hélices con o sin tobera.

Un hito importante para la comparación entre la POD´s y los sistemas tradicionales fue 1998. Ese año, los POD´s se instalaron por primera vez en un barco de crucero de la clase Fantasy de la Compañía Carnival. La propulsión clásica fue remplazada directamente por una propulsión con POD´s. Una vez que el buque estuvo en servicio, los datos reunidos indicaron que este sistema permitió economías de combustible del 8% y un aumento de la velocidad de ½ nudo. Carnival informó de un ahorro de 40 toneladas de combustible por semana.

En próximos Post continuaré con este tema, que considero muy interesante.

Ver también:

Propulsión Eléctrica en los Buques (I)

Propulsión Eléctrica en los Buques (III)

Propulsión Eléctrica en los Buques (IV)

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas


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