Estudio de los sistemas de refrigeración de un buque por enfriadores de caja

Abstract

[Resumo] No presente traballo proponse o uso a bordo de intercambiadores de calor de caixa como sistema de arrefriamento para a auga de refrixeración do motor de propulsión dun buque. Para iso, lévanse a cabo os cálculos necesarios, así como un modelado xenérico en Solidworks, coa súa posterior simulación de fluídos. Na primeira parte introdúcense brevemente as necesidades de refrixeración dun motor dun buque e os elementos máis importantes dun sistema de refrixeración. Faise énfase no intercambiador de caixa, analizando as súas características constructivas e de deseño, en que tipo de embarcacións estase a empregar actualmente e que vantaxes teñe en canto a mantemento. Na segunda parte, establécense as bases teóricas da transferencia de calor necesarias, con especial interese na convección, que é de gran importancia no caso de estudo. Preténdense atopar os coeficientes de convección natural exterior e interior en intercambiadores de calor de tubos verticais en forma de “U”, así como as correlacións pertinentes. Para iso faise uso do software EES que permite obter por cálculo iterativo a lonxitude total dos tubos dun enfriador de caixa para a auga de refrixeración de alta temperatura dun motor seleccionado. Deste xeito, faise un modelo en CAD para ser analizado. Na terceira parte preséntase o modelado 3D en Solidworks e a simulación de fluídos, coas condicións precisadas polo programa para a simulación. Tamén se estima a enerxía aforrada, e polo tanto o combustible, ao non dispor de bombas de auga salgada na sala de máquinas. Finalmente, compárase o resultado obtido neste apartado co teórico.

[Resumen] En el presente trabajo se propone utilizar intercambiadores de calor de caja a bordo como sistema de enfriamiento para el agua de refrigeración del motor de propulsión de un buque. Para ello, se realizan los cálculos necesarios, así como un modelado genérico en Solidworks, con su posterior simulación de fluidos. La primera parte presenta brevemente las necesidades de refrigeración de un motor de un buque y los elementos más importantes de un sistema de refrigeración. Se hace hincapié en el intercambiador de caja, analizando sus características constructivas y de diseño, en qué tipo de embarcaciones se utiliza actualmente y qué ventajas tiene en cuanto a mantenimiento. En la segunda parte, se establecen las bases teóricas de la transferencia de calor necesaria, con especial interés en la convección, que es de gran importancia en el caso de estudio. Se pretenden encontrar los coeficientes de convección natural exterior e interior en intercambiadores de calor de tubo vertical en forma de U, así como las correlaciones relevantes. Para ello, se utiliza el software EES, que permite un cálculo iterativo para obtener la longitud total de los tubos de un enfriador de caja para el agua de refrigeración de alta temperatura de un motor seleccionado. De esta forma se elabora un modelo CAD para ser analizado. La tercera parte presenta el modelado 3D en Solidworks y la simulación de fluidos, con las condiciones requeridas por el programa para la simulación. La energía ahorrada, y por tanto el combustible, también son estimados al no disponer de bombas de agua salada en la sala de máquinas. Finalmente, se compara el resultado obtenido en este apartado con el teórico.

[Abstract] In the present assignment, the use on board of box coolers as a cooling system for the cooling water of the main engine of a ship is proposed. For this, the necessary calculations are carried out, as well as a generic modeling in Solidworks, with its subsequent fluid simulation. The first part briefly presents the cooling needs of a ship's engine and the most important elements of a cooling system. Emphasis is placed on the box exchanger, analyzing its construction and design characteristics, in what type of vessels it is currently used and what advantages it has in terms of maintenance. In the second part, the theoretical bases of heat transfer are established, with special interest in convection, which is of great importance in the case study. It is intended to find the external and internal natural convection coefficients in U-shaped vertical tube heat exchangers, as well as the relevant correlations. For this, the EES software is used, which allows an iterative calculation to obtain the total length of the tubes of a box cooler for the high temperature cooling water of a selected engine. In this way, a CAD model is elaborated to be analyzed. The third part presents the 3D model in Solidworks and fluid simulation, with the conditions required by the program for the simulation. The energy saved, and therefore the fuel, are also estimated as there are no salt water pumps in the engine room. Finally, the result obtained in this section is compared with the theoretical one.