Sistemas de Ingeniería Mecánica en Buques

Introducción

BUQUE: Vehículo complejo autopropulsado con capacidad de autosuficiencia durante periodos prolongados de tiempo, y con elevado grado de fiabilidad.

SERVICIOS: En general, un servicio a bordo está formado por un conjunto de tuberías, válvulas, bombas, compresores, sensores; dedicados a una labor concreta dentro del buque. Se pueden hacer diferentes divisiones de los mismos:

• Servicios Principales: Generalmente los dedicados a la propulsión: Máquina Principal (MP) y sistemas asociados.
• Servicios Auxiliares: Dedicados a la generación de energía eléctrica.
• Servicios Auxiliares: Relacionados con la carga.
• Servicios Auxiliares: Relacionados con la seguridad.
• Servicios Auxiliares: Relacionados con la habilitación.

Los Sistemas del buque se dividirán en principales y auxiliares.

Sistemas Principales

Propulsión

Es el sistema que trabaja para producir la propulsión del buque de manera eficaz y segura. Los servicios relacionados con la propulsión son aquellos que ayudan a la Máquina Principal a realizar su trabajo con la mayor eficiencia, seguridad y fiabilidad posible. Entre ellos tenemos:

• Lubricante
• Combustible
• Refrigeración

Sistemas Auxiliares

Motores Auxiliares

Abastecen a todo el buque de suministro eléctrico.

Carga

Un buque de carga seca dispondrá de medios de carga hidráulicos o electrohidráulicos. Un buque de carga líquida llevará bombas, tuberías, etc.

Habilitación

Servicios encaminados a la higiene, la salud y el bienestar de la tripulación.

Seguridad

Servicios de emergencia para la prevención de accidentes.

Disposición de la Maquinaria

La disposición de la maquinaria está influenciada por:

• Tamaño y tipo de buque
• Máquina propulsora
• Disposición de la carga

Tipos de Motores

Motores Diesel

Motor de bajas revoluciones (100 RPM) y pueden medir 15 metros. Hablaremos de planta propulsora con un motor diesel de gran potencia ya que usará un gran volumen de oxígeno y mezcla en su funcionamiento.

Turbinas de Vapor

Motores de un rendimiento más alto que los de diesel, pero por contra necesitan múltiples servicios aparte para funcionar.

Componentes

Válvulas

Dispositivos mecánicos que permiten controlar el paso de un fluido a lo largo de una tubería.

Clasificación de Válvulas

• Válvulas de Cierre o Bloqueo: Permiten el paso libre del fluido cuando están abiertas y bloquean dicho paso al cerrarlas.
• Válvulas de Regulación: Permiten controlar el caudal de fluido que las atraviesa.
• Válvulas de Retención: Permiten la circulación unidireccional del fluido; si este intenta invertir su sentido, la válvula se cierra.
• Válvulas de Alivio: Permiten controlar la presión del fluido, evitando que alcance niveles peligrosos.

Características de una Válvula

1. El fluido que controla no debe fugarse al exterior.
2. No deben tener pérdidas internas.

Materiales de Construcción

• Fundiciones grises de diferentes tipos: nodulares, atruchadas, etc.
• Acero fundido
• Acero forjado
• Aceros inoxidables
• Polímeros reforzados o no con fibras
• Aleaciones de cobre: bronces y latones
• Aluminio

Conexión con el Resto de la Instalación

• Rosca: Utilizado en válvulas pequeñas. Las roscas pueden ser machos, hembras y combinación de dos iguales.
• Soldada: Utilizado para tener seguridad especial sobre fuga de fluidos.
• Bridas: Es el método más común de unión. Básicamente las bridas utilizadas son de dos tipos:
  • De cara plana
  • De cara realzada

El sistema de unión que se elija dependerá de varios condicionantes, como:

• Tamaño de la válvula
• Presión de trabajo y la posibilidad de pérdidas
• Facilidad de montaje/desmontaje

Partes de una Válvula

• Cuerpo: Constituye la masa principal de la válvula y soporta el asiento o asientos estáticos de cierre.
• Un elemento móvil de apertura-cierre: Soporta el asiento móvil.
• El sistema de accionamiento: Puede ser de acción local o remota.
• Empaquetado: Evita la fuga al exterior del fluido que controla la válvula, al mismo tiempo que permite el movimiento del vástago de accionamiento.

Accionamiento de las Válvulas

Accionamiento Manual

• Palanca
• Volante + husillo
• Sistemas desmultiplicadores

Accionamiento Remoto

• Solenoide
• Émbolos neumáticos o hidráulicos
• Diafragmas
• Motores eléctricos

Varias Válvulas

• Válvulas de compuerta
• Válvulas de cierre rápido
• Válvulas de globo:
  • Estándar
  • Cuerpo en ángulo
  • Cuerpo en Y
• Válvulas de retención:
  • De bola
  • De globo
  • De chapaleta
• Válvulas de mariposa:
  • De placa
  • De carrete
• Válvulas de bola
• Válvulas de pérdida cero

Purgadores de Vapor

Es un tipo de válvula que tiene como misión extraer el condensado y los gases no condensables de las líneas de vapor.

Tipos

• Mecánicos
• Termostáticos
• Termodinámicos
• De orificio o tobera

Tuberías

Causas de Fallo de Tuberías

• Corrosión uniforme
• Picado
• Abrasión y erosión
• Corrosión galvánica
• Corrosión grafítica
• Golpes de ariete
• Defectos de alineación entre tramos de tubería y/o con los equipos a los que dan servicio
• Fatiga por vibraciones u otras cargas cíclicas
• Bajas temperaturas
• Dilataciones térmicas y deformaciones del casco

Protección

• Galvanizado
• Revestimiento interior (resinas o caucho)
• Proyección de capas duras (zonas localizadas)
• Pintado (exterior)
• Protección activa contra incrustaciones (líneas de A/S)

Bombas

Dispositivos mecánicos que impulsan un fluido entre dos puntos, permitiéndole salvar diferencias de presión y/o altura.

Tipos de Bombas

Desplazamiento Positivo o Volumétricas

• Rotativas:
  • Engranajes
  • Husillos: uno, dos o tres rotores
  • Cavidad progresiva
  • Lóbulos
  • Paletas
  • Pistón rotativo
• Alternativas:
  • Émbolo
  • Émbolo buzo o simple efecto: línea, radiales, axiales
  • Doble efecto
  • Diafragma: disposiciones simplex o multiplex

Rotodinámicas

• Centrífugas
• Axiales
• Mixtas

Variables que Influyen en el Funcionamiento de la Bomba

• Viscosidad
• Densidad
• Temperatura
• Presión de vapor
• Tipo de flujo
• Contenido en sólidos
• Altura de descarga, presión de descarga o altura de presión
• Caudal

Sistemas de Sellado

• Empaquetadura
• Obturadores
• Sellos mecánicos
• Herméticas:
  • Con acoplamiento magnético
  • Monobloc

Sistemas de Propulsión

Motor Diesel

• Menor consumo de combustible
• Combustible más barato
• Elevado par motor
• Mejor rendimiento
• Admiten elevadas presiones
• Relación peso/potencia más elevada
• No necesitan sistema eléctrico de encendido
• Mayor vida útil

Inyección

Dos sistemas:

• Sistema individual
• Sistema Common Rail

Componentes de un Motor

• Bastidor: Da resistencia estructural al motor.
• Bloque de Cilindros: En el mismo están practicados los agujeros a lo largo de los que se mueven los pistones.
• Culata: Cierra los cilindros por la parte superior y hace función de soporte de otros componentes.
• Cigüeñal: Convierte el movimiento alternativo del pistón en rotativo.
• Bielas
• Pistones
• Vástago + Cruceta: Solo en motores lentos 2T.
• Válvulas: En 2T una de escape; en 4T dos de admisión y 2 de escape.
• Bomba(s) de Inyección + Inyectores
• Sistema de Arranque: Generalmente por aire comprimido.

Combustibles

Sólidos

• Carbón: Testimonial y algunas construcciones experimentales.

Gaseosos

• Gas Natural: Utilizado exclusivamente en gaseros LNG.

Líquidos

• Diferentes tipos. Los utilizados de forma general en la actualidad.

Combustibles Marinos

• M.G.O. (Marine Gas Oil): Densidad baja
• M.D.O. (Marine Diesel Oil): Mezcla de MGO y fuel pesado
• I.F.O. (Intermediate Fuel Oil): Mezclas de MGO y HFO
• M.F.O. (Medium Fuel Oil): Mezcla con mayor proporción de HFO
• H.F.O. (Heavy Fuel Oil): Residuo del refino del petróleo puro o escasamente mezclado.

Problemas del Combustible

• Necesidad de una instalación de calefacción en tanques.
• Problemas de depuración.
• Mayor complejidad de la instalación de alimentación de combustible a los motores.
• Aumento del vertido de gases nocivos a la atmósfera.

El Sistema de Combustible

Tres etapas:

• Almacenamiento y trasiego
• Depuración y trasiego
• Preparación final: filtrado y calentamiento

Factores que Afectan al Tiempo de Sedimentación

• Tamaño de la partícula
• Forma y rugosidad de la partícula
• Temperatura: viscosidad y densidad
• Diferencia de densidades entre fluido principal y partícula
• Distancia a recorrer
• Fuerza de atracción

Tiempo entre Descargas

El tiempo a programar entre las descargas de lodos va a depender de diversos factores:

• El modo de operación
• El porcentaje de sólidos presente en el líquido a depurar
• La consistencia de los sólidos
• El volumen eficaz para sólidos en el rotor de la depuradora
• El rendimiento de la depuración
• El grado de limpieza deseado

La determinación de este tiempo se puede realizar:

• Mediante cálculo
• Mediante un diagrama suministrado por el fabricante
• Por experimentación

Refrigeración

Sistema

• Sistema de lubricación
• Sistema de circulación de cilindros
• Circulación de pistones
• Refrigeración de inyectores
• Condensación y enfriamiento de purgas
• Sistemas auxiliares

Sistemas de Refrigeración Utilizados

En buques basados en motores de combustión interna, se emplean dos métodos:

• Sistema Distribuido: Cada sistema o servicio de enfriamiento cuenta con su propia bomba o bombas de A/S.
• Sistema Centralizado: Dos o tres bombas centrales de A/S dan servicio a unos enfriadores centrales, donde se enfría un circuito secundario.

Sistema Sanitario

Tratamiento del Agua

El agua producida por los evaporadores y sistemas de ósmosis inversa es ligeramente ácida, lo que la convierte en no adecuada para el consumo humano. Por ello hay que someterla a tratamiento:

• Remineralización y corrección de pH (potabilización)
• Desinfección

Desinfección: Cloración

Consiste en dosificar en el agua productos que liberan cloro libre, que actuará como agente desinfectante. Entre los productos utilizados están:

• El hipoclorito sódico
• El dióxido de cloro

Residuos

A bordo se generan varios tipos de residuos:

• Aguas grises: Procedentes de lavabos, duchas, lavadoras, etc.
• Aguas negras: Procedentes de váteres, urinarios
• Lodos de hidrocarburos: Procedentes de la depuración de combustibles y aceites lubricantes
• Residuos sólidos: Embalajes y similar

Podemos tener hasta cuatro formas de tratar con este tipo de residuos:

1. Descarga directa al mar
2. Descarga a un tanque almacén
3. Tratamiento en planta de aguas residuales
4. Sistemas de almacenamiento/tratamiento

Sistemas Frigoríficos

En un buque, la refrigeración se puede utilizar para una gran cantidad de propósitos:

• Conservación de las provisiones
• Sistemas de aire acondicionado
• Conservación de la carga: Vegetales, congelados, gases licuados, productos químicos

Características Refrigerantes

• Bajo punto de ebullición
• Baja presión de condensación
• Elevada entalpía de vaporización
• Bajo volumen específico de la fase de vapor
• Elevada temperatura crítica
• No corrosivo y no soluble
• Estabilidad química en las condiciones de trabajo
• No inflamable
• No deberá reaccionar en contacto con el aceite
• Fácil detección de fugas
• No tóxico
• Barato: fácil de producir y de almacenar

Ventilación y Acondicionamiento de Aire

Misión

Proporcionar espacios de trabajo y habitación lo más seguros y cómodos posible.

Según el tipo de espacio de que se trate, cambian los objetivos y por lo tanto la forma de llevarlos a cabo:

• Espacios de carga
• Espacios de máquinas
• Zonas de habilitación
• Espacios con necesidades de ventilación temporales por necesidades de inspección/reparación (Tanques de consumo, lastre, etc.)

Definiciones

• Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire medida con un termómetro convencional, situado al abrigo del calor radiado.
• Temperatura de bulbo húmedo: Temperatura medida con un termómetro, cuyo bulbo está recubierto con un tejido húmedo y situado en una corriente de aire.
• Temperatura efectiva: Temperatura del aire saturado y sin circular que produciría la misma sensación de calor.
• Punto de rocío: Es la temperatura a la que habría que enfriar el aire insaturado, para que alcance su punto de saturación y el exceso de humedad empiece a condensarse.
• Humedad absoluta del aire: Es el contenido total de agua, en forma de vapor, del aire. Se expresa en g/l aire seco o g/kg aire seco.

Sistemas de Acondicionamiento/Climatización

Lo podemos dividir en cuatro categorías:

• Limpieza y/o sustitución periódica de los filtros
• Limpieza de los intercambiadores de calor (baterías frías y calientes): mejora del intercambio de calor
• Limpieza de las bandejas y tuberías de drenaje del agua de condensación
• Limpieza de las bandejas y tuberías de drenaje de los sistemas de humectación por pulverización de agua