Uso de Caldeira de Recuperação em Navios de Apoio Offshore · ii uso de caldeira de recuperaÇÃo em navios de apoio offshore rodrigo santos da silva projeto final submetido À

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Uso de Caldeira de Recuperação em

Navios de Apoio Offshore

Rodrigo Santos da Silva

2014

USO DE CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO EM NAVIOS DE

APOIO OFFSHORE


Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador(es): Luiz Antônio Vaz Pinto

Rio de Janeiro

Março de 2014

ii

USO DE CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO EM NAVIOS DE APOIO OFFSHORE


PROJETO FINAL SUBMETIDO À BANCA APROVADA PELO COLEGIADO DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA

POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE

ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.

Examinado por:

_____________________________________________

Prof. Luiz Antônio Vaz Pinto, D.Sc.

_____________________________________________

Prof. Severino Fonseca da Silva Neto, Prof.

Associado

_____________________________________________

Antonio Carlos Ramos Troyman, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

MARÇO DE 2014

iii

Silva, Rodrigo Santos

Uso de Caldeira de Recuperação em Navios de Apoio Offshore/ Rodrigo Santos da Silva. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.

VIII, 47 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Naval e Oceânica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 46-47

1. Resumo 2. Introdução 3. Metodologia 4. Contexto Geral 5. Fundamentos Teóricos 6. Balanço Térmico 7. Balanço Elétrico 8. Análise de Casos 9. Avaliação da Alternativa de Aproveitamento Energético Proposta 10. Conclusão 11. Bibliografia

I. Pinto, Luiz Antônio Vaz. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval. III. Uso de Caldeira de Recuperação em Navios de Apoio Offshore.

iv

AGRADECIMENTOS

A Deus, por todas as oportunidades, saúde, perseverança e família.

A São Judas Tadeu e São Jorge, pela interseção nas horas difíceis.

Aos meus pais Vanda e Ilys, por toda luta e empenho para que pudessem dar o

melhor a mim e a meu irmão.

Ao meu irmão Ilys Jr., pelo companheirismo.

Aos amigos FPCs, pela ajuda com as questões acadêmicas e também pelas horas de

descontração.

Ao professor Luiz Vaz, pela ajuda na orientação deste trabalho.

Aos grandes professores desta escola, pela oportunidade de compartilhar seus

conhecimentos.

A todos aqueles que nessa longa caminhada contribuíram de alguma forma para que

eu pudesse realizar essa conquista.

v

RESUMO

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

Uso de Caldeira de Recuperação em Navios de Apoio Offshore


Março/2014

Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto

Curso: Engenharia Naval e Oceânica

Caldeiras são, em geral, equipamentos grandes, pesados e de alto custo de aquisição.

Por essas razões seu uso é evitado em navios de menor porte, como os de apoio à

plataformas. Por outro lado, é alta a potência instalada desse tipo de embarcação (em

navios AHTS na faixa de 20 MW) e a energia contida nos gases de exaustão dos

motores não pode ser desprezada. Assim, o uso de dispositivos (caldeiras) que

recuperem parte desse calor deve ser considerado no projeto.

O intuito deste trabalho é avaliar a utilização de caldeiras de recuperação (HRSG) ou

aquecedores de óleo térmico em embarcações de apoio à plataformas (PSV, AHTS,

ORSV, etc).

Palavras-chave: Caldeira de Recuperação, HRSG, Navios de Apoio Offshore

vi

ABSTRACT

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/ UFRJ as a part fulfillment of the

requirements for the degree of Naval and Ocean Engineer.

Heat Recovery Steam Generator Use in Offshore Supply Vessels


March/2014

Advisor: Luiz Antônio Vaz Pinto

Course: Naval and Ocean Engineering

Heat Recovery Steam Generators (HRSG) are generally large, heavy and expensive

equipments for acquisition. For these reasons its use is avoided in smaller vessels,

such as platforms supplies. On the other hand, the installed power is high in this kind of

vessel (around 20 MW in AHTS vessels) and the energy contained in engine’s exhaust

gases cannot be disregarded. Thus, the use of equipments (steam generators) that can

recover part of that heat must be considered in the design stage.

The purpose of this study is to evaluate the use of heat recovery steam generators or

thermal oil heaters in platform supply vessels (PSV, AHTS, ORSV, etc).

Keywords: Heat Recovery Steam Generator, HRSG, Offshore Supply Vessels

Índice

1. RESUMO ............................................................................................................................. 1

2. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

3. METODOLOGIA ................................................................................................................. 2

4. CONTEXTO GERAL.......................................................................................................... 2

4.1. Panorama atual e tendências ................................................................................ 2

4.2. Alternativa de Aproveitamento Utilizando-se Caldeira de Recuperação (HRSG)..................................................................................................................................... 4

4.2.1. Aspectos Gerais sobre Caldeiras de Recuperação ............................. 4

5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................................................... 6

5.1. Ciclo Rankine ......................................................................................... 6

6. BALANÇO TÉRMICO ..................................................................................................... 10

6.1. Consumidores de Vapor ....................................................................................... 10

6.1.1. Tanques de Armazenagem ................................................................. 11

6.1.1.1. Dimensionamento dos Tanques ......................................................... 11

6.1.1.2. Aquecimento dos tanques .................................................................. 16

6.1.2. Purificadores ........................................................................................ 18

6.1.3. Aquecedores de Água ......................................................................... 21

6.1.4. Aquecimento de Alojamentos e Ar Condicionado ............................ 22

6.1.5. Separador de Água e Óleo .................................................................. 23

6.1.6. Caixas de Mar ...................................................................................... 23

7. BALANÇO ELÉTRICO .................................................................................................... 24

7.1. Estimativa da Potência de Equipamentos ....................................................... 24

7.1.1. Bombas ................................................................................................ 25

7.1.2. Ventiladores e Exaustores na Praça de Máquinas ............................ 26

8. ANÁLISE DE CASOS ..................................................................................................... 28

8.1. MAR LIMPO II ........................................................................................................... 30

8.1.1. Análise de Consumo de Vapor ........................................................... 31

8.1.1.1. Consumo de Vapor para Aquecimento de Tanques ......................... 31

8.1.1.2. Consumo de Vapor de Equipamentos ............................................... 32

8.1.1.3. Balanço Térmico .................................................................................. 33

8.1.2. Análise de Energia Elétrica ................................................................. 34

8.2. ASTRO TUPI ............................................................................................................. 34

8.2.1. Análise de Consumo de Vapor ........................................................... 35

8.2.1.1. Consumo de Vapor para Aquecimento de Tanques ......................... 35

8.2.1.2. Consumo de Vapor de Equipamentos ............................................... 36

8.2.1.3. Balanço Térmico .................................................................................. 37

8.2.2. Análise de Energia Elétrica ................................................................. 37

8.3. SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS (MAR LIMPO II/ ASTRO TUPI) ................. 38

9. AVALIAÇÃO DA ALTERNATIVA DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO PROPOSTA .............................................................................................................................. 42

10. CONCLUSÃO ............................................................................................................... 45

11. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................ 46

1

1. RESUMO

Neste trabalho foi analisado o aproveitamento de recursos energéticos disponíveis

utilizando-se caldeira de recuperação em embarcações dedicadas ao recolhimento de

óleo derramado, conhecida por OSRV (Oil Spill Response Vessel).

A grande demanda no mercado por essas embarcações nos últimos anos chamou a

atenção para a necessidade de se avaliar um dilema entre os projetistas no que diz

respeito à questão do uso de equipamentos de reaproveitamento de calor em

embarcações de médio porte, justificado pelo baixo custo-benefício dessa aplicação.

2. INTRODUÇÃO

Um dos principais motivadores da prática da engenharia é a solução de problemas de

aperfeiçoamento e eficiência de ferramentas ou máquinas a fim de melhorar a

produção de determinado ciclo de tarefas, proporcionando benefícios desde o conforto

para os trabalhadores até a redução de custos de operação.

Em instalações industriais, essa preocupação se volta para uma melhor utilização do

maquinário e aproveitamento de recursos energéticos, reduzindo, desta forma, o

desperdício e o nível de emissões, contribuindo ainda para um mundo mais

sustentável, agregando ações interessantes também do ponto de vista econômico.

Pensando nesses aspectos, essa análise busca oferecer uma alternativa para

reutilização dos gases liberados pela combustão dos motores de embarcações de

médio porte, representadas aqui por navios do tipo OSRV. Essas embarcações têm

uma grande demanda de energia elétrica devido à diversidade de equipamentos

especializados a bordo, sendo em sua maioria equipados com três grupos geradores,

identificando assim um potencial razoável para um estudo sobre suas capacidades de

produção de vapor.

2

3. METODOLOGIA

Este estudo está baseado na avaliação dos balanços térmicos e elétricos de duas

embarcações de portes semelhantes (Mar Limpo II e Astro Tupi), para algumas das

principais condições de operação, tais como:

• Navegação no verão e inverno;

• Em operação com posicionamento dinâmico no inverno;

• Combate a incêndio com posicionamento dinâmico no inverno;

• Manobra no inverno;

• Carga e descarga no inverno;

• Fundeado durante o inverno.

As análises feitas para o inverno visam realizar uma abordagem do problema para

uma condição onde se tem grande exigência dos consumidores de vapor devido à

necessidade de aquecimento para conforto da tripulação e manutenção de fluidos na

temperatura apropriada para sua utilização e assim basear o estudo na condição de

maior consumo.

4. CONTEXTO GERAL

É cada vez mais crescente a preocupação da economia global com a administração

dos recursos naturais através de uma utilização mais racional. A preocupação

ambiental, num primeiro instante, pode parecer algo sem apelo econômico pela

utilização de técnicas e inovações mais caras do que as convencionais, entretanto, no

momento em que essa tecnologia passa a ser difundida e largamente utilizada, fica

evidente a economia dos custos de operação, possibilitando produtos ou serviços mais

competitivos.

4.1. Panorama atual e tendências

Na indústria naval, o conceito de navio verde vem sendo difundido cada vez mais.

Muitas alternativas têm sido apresentadas e implantadas principalmente quanto à

utilização de combustíveis, novas formas de casco e propulsores. Alguns navios já

contam com o uso de células de combustíveis para substituir geradores, bem como

utilização de energia eólica através de pipas, resultando em economia de até 30% no

3

consumo de óleo. Não muito distante, sistemas híbridos e estudo de utilização da

energia solar estão cada vez mais presentes no dia-a-dia.

Figura 1 – Conceito de utilização de energia solar

A preocupação com a questão ambiental no meio naval é tanta que a International

Maritime Organization (IMO), na ocasião da 62 ͣ sessão realizada em julho de 2011,

através de emendas ao Anexo VI da MARPOL e adição de um novo capítulo à

mesma, instituiu medidas mandatórias quanto à redução de emissão de gases para

começarem a ser adotadas a partir de janeiro de 2013, através de um plano de

gerenciamento de eficiência de energia (SEEMP) para todos os navios, e do índice de

eficiência de energia (EEDI) para novas construções. Outras medidas, como utilização

de combustíveis com menor porcentagem de enxofre, também estão sendo

estudadas.

Com essa medida, a intenção é que, até 2020, cerca de 45 a 50 milhões de toneladas

de CO2 sejam retirados da atmosfera, chegando até 240 milhões em 2030.

4

Figura 2 – Emissões anuais de transportes modais

4.2. Alternativa de Aproveitamento Utilizando-se Caldeira de Recuperação

(HRSG)

Uma das propostas defendidas neste trabalho, e agora abordada para aproveitamento

energético em embarcações do tipo OSRV, diz respeito à utilização de caldeira de

recuperação.

Antes de tratar diretamente da aplicação prática e das conclusões a respeito da

utilização desta alternativa, serão abordados os conceitos gerais da tecnologia e os

conceitos termodinâmicos do seu funcionamento através do Ciclo Rankine.

4.2.1. Aspectos Gerais sobre Caldeiras de Recuperação

Uma caldeira de recuperação é um equipamento capaz de, através de um fluxo de

gases quentes, recuperar calor para aquecimento de água e produção de vapor para

acionamento de equipamentos, entre eles uma turbina para geração de energia

elétrica em um processo de cogeração.

A utilização desse equipamento é largamente adotada na indústria pesada para

redução de custos com combustível, a exemplo de siderúrgicas, plantas químicas,

fábrica de celulose, dentre outras. No setor naval, sua utilização está ligada

1122

8,3

2,2

1320

178

0,71

0,075

0,001

207222

6,5 6

1,7

280

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

CO2 NOx SO2 PM10 Consumo

Emis

sõe

s A

nu

ais

(Milh

õe

s d

e t

on

ela

das

/an

o)

Emissões de transportes modais (2000)

Terrestre

Aéreo

Marítimo

5

principalmente a embarcações de grande porte, tais como cargueiros, porta-

contentores, navios Ro-Ro (roll on - roll off) e uma série de outras embarcações onde

os grandes motores oferecem um grande potencial de aproveitamento dos seus

gases.

Figura 3 – Caldeira de recuperação para aplicação na indústria

Figura 4 – Aproveitamento de gases de exaustão em um navio

6

5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Na termodinâmica, caracteriza-se um ciclo termodinâmico através de processos

realizados por um sistema para que se obtenha ou se realize trabalho e, ao final,

retorne ao seu estado original.

Estes ciclos regem o funcionamento de máquinas térmicas, sendo os mais conhecidos

o ciclo Otto, para motores a gasolina e álcool, o ciclo Diesel, para motores diesel, o

ciclo Brayton, para turbinas a gás e o ciclo Rankine, para máquinas a vapor.

5.1. Ciclo Rankine

O ciclo Rankine assemelha-se ao ciclo de Carnot, entretanto este último se refere a

uma condição ideal onde não há perdas ao longo dos processos e pode ser revertido,

ou seja, todos os processos são perfeitamente isotérmicos e adiabáticos. Com isso, o

ciclo de Carnot, no sentido horário, pode ser aplicado a máquinas térmicas e, no

sentido inverso, aplicado a máquinas frigoríficas, ambas com rendimento total.

Figura 5 – Diagramas T x S do ciclo de Carnot e do ciclo Rankine, respectivamente

7

Figura 6 – Esquema de configuração do ciclo Rankine

O ciclo de Carnot é caracterizado pelos seguintes processos:

• Trecho 2-3: Expansão Isotérmica (calor cedido)

• Trecho 3-4: Expansão Adiabática (trabalho fornecido pela turbina)

• Trecho 4-1: Compressão Isotérmica (calor trocado no condensador)

• Trecho 1-2: Compressão Adiabática (trabalho fornecido à bomba)

Comparando-se os dois diagramas, pode-se notar um deslocamento do trecho (1-2)

no ciclo Rankine, pela utilização de uma bomba real que necessita que o fluido de

trabalho seja unicamente líquido e não uma mistura de vapor e líquido, como no ciclo

de Carnot. A turbina continua a trabalhar com a mistura de vapor e líquido, sendo um

limitante no projeto, uma vez que o líquido presente na mistura provoca a erosão das

pás da turbina. Uma alternativa para esse problema é o superaquecimento do vapor

entregue à turbina.

O ciclo Rankine é formado pelos seguintes processos:

• Trecho 2-3: Aquecimento a pressão constante (calor cedido)

• Trecho 3-4: Expansão Adiabática (trabalho fornecido pela turbina)

• Trecho 4-1: Troca de calor a pressão constante (calor trocado no condensador)

• Trecho 1-2: Compressão adiabática (trabalho fornecido à bomba)

8

Figura 7 – Diagramas T x S do ciclo Rankine com superaquecimento

Essa técnica também melhora o rendimento do ciclo uma vez que aumenta a diferença

de temperaturas no trecho (3-4), aumentando a entalpia no ponto 3 e, consequen-

temente, aumentando o trabalho gerado na turbina.

Voltando ao ciclo Rankine simples, sem reaquecimento, serão analisadas as relações

termodinâmicas para os volumes de controle envolvidos.

• Bomba

Para o bombeamento do líquido à caldeira, a bomba necessita de energia,

consumindo trabalho. Como esse trabalho é consumido e não gerado, sua

contribuição é negativa e, pela 1ª. lei da Termodinâmica, tem-se:

�� = ℎ� − ℎ�

Como o processo envolvido na bomba é adiabático e reversível, pela 2ª. lei da

Termodinâmica, a entropia do fluido na entrada e na saída são iguais:

�� = ��

O trabalho também pode ser expresso por:

�� = . � ��

9

Igualando-se as expressões pode-se determinar o trabalho requerido pela bomba

pelas pressões envolvidas no processo:

�� = ( � − �) • Caldeira

Pela 1ª. lei da Termodinâmica, o calor gerado na caldeira cedido à água, para

formação de vapor, pode ser obtido pela diferença de energia dos estados final e

inicial:

�� = ℎ� − ℎ�

• Turbina

O vapor produzido na caldeira se expande na turbina, movimentando suas pás e

gerando trabalho no eixo, possibilitando acionar alguma máquina. Neste caso, o

interesse é pelo acionamento de um gerador para produção de energia elétrica. A 1ª.

lei da Termodinâmica permite determinar-se o trabalho por:

�� = ℎ� − ℎ�

Vale lembrar que o fluido obtido no estado final é uma mistura de líquido e vapor e a

entalpia pode ser determinada por:

ℎ� = ℎ�� − ��ℎ��

onde:

ℎ�� – entalpia específica da água na saída da turbina na temperatura de saturação

�� – título da mistura na saída

ℎ�� – entalpia específica da vaporização da água na saída da turbina na temperatura

de saturação

E pela 2ª. lei tem-se:

�� = ��

Assim como a entalpia, a entropia do estado 4 pode ser obtida também utilizando-se o

título da mistura.

10

• Condensador

No condensador, o vapor troca calor e resfria-se, com o fluido passando novamente

para o estado líquido. Assim como na caldeira, podemos quantificar o calor trocado

utilizando-se a 1ª. lei da Termodinâmica:

�� = ℎ� − ℎ�

A eficiência térmica do sistema pode ser obtida pela relação:

�� = ��í!��

O trabalho líquido, trabalho gerado pelo sistema, pode ser obtido pela diferença do

trabalho fornecido na turbina e o trabalho consumido na bomba, ou pelas trocas de

calor realizadas:

��í! = �� − �� =�� − ��

6. BALANÇO TÉRMICO

O balanço térmico das embarcações citadas será a principal ferramenta neste estudo.

Através das informações obtidas será conhecida a demanda de vapor mais

significativa para cada caso, auxiliando a orientação na tomada de decisões quanto à

escolha da caldeira ou do aquecedor de óleo térmico a ser utilizado e como será

empregado o vapor produzido. Havendo excedente de vapor, pode-se avaliar a

utilização de um turbo gerador para auxílio na geração de energia elétrica.

6.1. Consumidores de Vapor

A produção de vapor a bordo de uma embarcação é dedicada ao aquecimento de

acomodações, aquecimento de fluidos em tanques e utilização de alguns

equipamentos.

11

Embarcações de grande porte, além do óleo diesel, fazem uso também de óleo

pesado como combustível para os motores principais e auxiliares, necessitando de

aquecimento para a utilização dos mesmos.

Embarcações do tipo OSRV necessitam também de aquecimento para seus tanques

de armazenagem de óleo recolhido a fim de que sua viscosidade esteja satisfatória

para a descarga. O sistema de lavagem dos tanques de óleo recolhido também

necessita de aquecimento da água para auxiliar o uso dos dispersantes químicos que

também são empregados no processo.

6.1.1. Tanques de Armazenagem

Nesta seção serão abordados os pontos importantes para estimar o consumo de calor

dispendido no aquecimento dos tanques de armazenagem de uma embarcação

genérica. A princípio, é necessário definir as dimensões dos tanques para cada fluido

e as superfícies com as quais há troca de calor. Muitos tanques têm uma de suas

faces em contato com o mar, facilitando o resfriamento do fluido, prejudicando o

aquecimento.

6.1.1.1. Dimensionamento dos Tanques

Uma embarcação dispõe de uma grande variedade de fluidos a bordo, utilizados com

as mais diversas finalidades, desde combustível para máquinas até a utilização de

água para arrefecimento dos motores.

Os fluidos comumente que necessitam aquecimento são os seguintes:

• Óleo Pesado (armazenamento, sedimentação, serviço e borra);

• Óleo Diesel (armazenamento e sedimentação);

• Óleo Recolhido (armazenamento, especial para a embarcação em estudo);

• Água (armazenamento).

a) Tanques de Armazenamento de Óleo Diesel

Embarcações de menor porte e que possuem uma propulsão com motores de média e

alta rotações podem utilizar o diesel marítimo como combustível para o motor

12

principal, além do uso nas máquinas auxiliares. Embarcações de grande porte podem

utilizá-lo no motor principal, caso haja alguma emergência, tais como problemas nas

redes de óleo pesado.

O volume será determinado da seguinte forma:

#� = $%$� ∗ '() ∗ 10, ∗ -./%��0 ∗ 12 ��0 ∗ 34 + (6�� ∗ /%�� ∗ 12 �� ∗ 3)7

onde:

Vt – volume total [m3], corresponde a 90% do combustível utilizado, devendo atender a

condição de chegada com 10% dos consumíveis

fs – fator de consumo específico (utilizado 1,03)

fe – fator de expansão (utilizado 0,96)

Csmcp – consumo específico do MCP [g/BHP*h]

ρOD – massa específica do óleo diesel [t/m³]

BHPmcp – potência de serviço contínua do MCP

A – autonomia [h]

Nmca – quantidade de MCAs

BHPmca – potência de serviço contínua dos MCAs

Csmca – consumo de óleo diesel do MCA [g/BHP*h]

b) Tanques de Sedimentação de Óleo Diesel

A oxidação natural do óleo diesel forma sedimentos e estes devem ser retirados do

sistema periodicamente a fim de que não haja entupimento das linhas nos

equipamentos. Este tanque de sedimentos geralmente é posicionado próximo ao

tanque de serviço de óleo diesel.

O volume é calculado pela formulação:

#8 = $�$9. ':;.106. (/�=/ . 12 =/ . > + 6=/3. /�=/3. 12 =/3. >)

13

onde:

Vt – Volume total [m3], corresponde a 90% do combustível utilizado, devendo atender

a condição de chegada com 10% dos consumíveis

fs – Fator de consumo específico (Utilizado 1,03)

fe – Fator de expansão (Utilizado 0,96)

Csmcp – Consumo específico do MCP [g/BHP*h]

ρOD – Massa específica do óleo diesel [t/m³]

BHPmcp – Potência de serviço contínua do MCP

T – Tempo de sedimentação do óleo diesel [h] (24 hrs)

Nmca – Quantidade de MCAs

Csmca – Consumo específico do MCA [g/BHP*h]

BHPmca – Potência de serviço contínua dos MCAs

c) Tanques de Serviço de Óleo Diesel

Neste tanque é armazenado o óleo diesel purificado, pronto para uso no motor

principal ou nos auxiliares.

O volume é calculado pela formulação:

#� = $%$� . '().10,. (/%?@A . 12 ?@A. > + 6?@B. /%?@B. 12 ?@B. >)

onde:

Vt – volume total [m3], corresponde a 90% do combustível utilizado, devendo atender a

condição de chegada com 10% dos consumíveis

fs – fator de consumo específico (utilizado 1,03)

14

fe – Fator de expansão (Utilizado 0,96)

Csmcp – Consumo específico do MCP [g/BHP*h]

ρOD – Massa específica do óleo diesel [t/m³]

BHPmcp – Potência de serviço contínua do MCP

T – Tempo de serviço [h] (24 hrs)

Nmca – Quantidade de MCAs

BHPmca – Potência de serviço contínua dos MCAs

d) Tanques de Óleo Lubrificante

Os tanques de óleo lubrificante podem ser dimensionados com as especificações

fornecidas pelos fabricantes e seus manuais ou utilizando-se as recomendações

abaixo:

Tabela 1 – Recomendações para dimensionamento de tanques de óleo lubrificante

Tipo Qde Volume (m³)

Poceto (Sistema

O.L.) 1 C⁄12

Tq. Serviço

(Cilindros) 1

Tq. Armaz.

(Cilindros) 1

Tq. Armaz. (MCAs) 1

Tq. de Borra 1 1*NP

onde:

Q – vazão da bomba de óleo lubrificante [m3/h]

BHPmcp – potência de serviço contínua do MCP

/%(D?@A – consumo específico de O.L. do MCP [g/BHP*h]

.12 ?@A ∗ /%(D?@A ∗ 244

900.1000.12 ?@A ∗ /%(D?@A

∗ 24 ∗ D ∗ 1,54900.1000

.12 ?@B ∗ /%(D?@B ∗ 24 ∗ D ∗∝4

900.1000

15

/%(D?@B – consumo específico de O.L. do MCA [g/BHP*h]

D – tempo de viagem na maior distância entre portos [dias]

α – fator de uso

2,0 (Somente MCAs )

1,5 (MCAs + Turbo Gerador)

1,0 (Turbo Gerador + Gerador de eixo)

NP – quantidade. de purificadores

e) Tanques de Óleo Recolhido

Os tanques de óleo recolhido têm suas capacidades especificadas em contrato,

portanto, variam conforme a necessidade do armador.

f) Consumo de Água Doce e Potável Aquecidas

O consumo de água aquecida é dimensionado a partir da tripulação e passageiros a

bordo e das condições do tempo na região de operação. O consumo por litro por

pessoa a cada dia para um navio mercante pode ser estimado como na tabela a

seguir:

Tabela 2 – Estimativa de consumo de água a bordo

Podendo ser também estimado o consumo em litros por hora dividindo-se o valor total

por 24 horas, resultando em um consumo de:

(Navios de carga)

ServiçoÁgua potável

[litros/pessoa.dia]

Água sanitária

[litros/pessoa.dia]

Total

[litros/pessoa.dia]

Lavatórios 9 - 9

Banhos e duchas - 50 50

Cozinha 4 - 4

Pias 7 - 7

Lavanderia - 3 3

TOTAL 20 53 73

L, MN ∗ O[QRSTUV/X]

16

onde:

N – quantidade total de pessoas a bordo

6.1.1.2. Aquecimento dos tanques

Os fluidos utilizados nas máquinas têm condições específicas de utilização,

principalmente quanto à temperatura, e são afetadas diretamente pelas condições

ambientais, sendo a condição crítica durante o inverno, quando se necessita uma

maior quantidade de calor para manter as temperaturas recomendadas.

Na troca de calor entre as superfícies de contato são considerados os fluxos térmicos,

desconsiderando-se a absorção de calor pelas mesmas e admitindo-se uma

temperatura uniforme devido ao aquecimento do fluido no interior.

Os fluxos a serem considerados são aqueles que dizem respeito à elevação de

temperatura do fluido e perda de calor pelas superfícies dos tanques.

• Fluxo térmico para elevação de temperatura

�� = Z ∗ [ ∗ \>8

onde:

�� – perda de calor (kcal/h)

m – massa do fluido [kg], (ρ.V)

c – calor específico do fluido [kcal/kg.°C]

∆T – elevação de temperatura [°C]

t – tempo [h]

17

• Fluxo térmico para perda de calor pelas superfícies

�� = ] ∗ 3 ∗ \>

onde:

�� – fluxo de calor (kcal/h)

U – coef. global de transmissão de calor [kcal/h.m².°C]

A – área de troca de calor [m²]

∆T – elevação de temperatura

t – tempo [Horas]

O calor necessário para aquecer o fluido no interior do tanque será o balanço dos

fluxos descritos anteriormente:

�� = �� + ��

e o consumo de vapor para esse aquecimento será calculado por:

/ = ��\ℎ

onde:

C – consumo de vapor [kg/h]

∆h – variação de entalpia do vapor [kcal/kg]

As análises dos fluxos térmicos devem se limitar aos compartimentos onde estão

instalados os tanques de forma a levar-se em consideração a condição ambiental

local. Abaixo estão apresentadas as temperaturas a serem consideradas:

Tabela 3 – Temperaturas consideradas para cálculo de fluxo térmico

Os tempos de aquecimento dos tanques foram considerados como:

Ambiente TVERÃO [°C] TINVERNO [°C]

Pça. Máquinas 38 20

Água do mar 20 5

Ar exterior 25 2

Porão 40 15

18

Tabela 4 – Tempos de aquecimento de tanques

Foram consideradas as seguintes massas e calores específicos para os fluidos

utilizados:

Tabela 5 – Massas e calores específicos de fluidos

Para os coeficientes globais de transmissão de calor foram utilizados:

Tabela 6 – Coeficientes globais de transmissão de calor

6.1.2. Purificadores

Para todos os óleos utilizados pelas máquinas, são necessários purificadores para

separar elementos sólidos e água a fim de se evitar o entupimento de alguma linha de

abastecimento devido às impurezas ou causar deterioramento das mesmas. Sendo

Tanque TINICIAL [°C] TFINAL [°C] Tempo [h] Comentário

Sedimentação O.D. - - 12

Serviço O.D.

Sedimentação O.L. - - 12

Carga Óleo Rec. 25 40 6

Água Quente 5 65 4 TINICIAL de inverno

O.L. MCP - - 3 T de acordo com manual motor

Fluido

Massa

Específica

[kg/m³]

Calor

Específico

[kcal/kg.°C]

Água 1000 1,0

Óleo Crú 950 0,48

Óleo Pesado 950 0,45

Óleo Lubrificante 900 0,45

Óleo Diesel 830 0,45

Tanque Superf. Adjacente

U

[kcal/h/m².°C]

(ABNT)

U [kcal/h/m².°C]

(Sugerido)

Ar (Convés, PM, Pça bombas,...) 4-8 5

Água do mar (Costado) 12-17 15

Água do mar (Fundo) 4-8 5

Ar (Costado) 7-10 8

Ar (Fundo) 4-5 4

Óleo Diesel Água do mar (Parte úmida) 14,5-24 15

O.L. Ar (Parte seca) 7-10 8

Óleo (Qualquer) Óleo - -

Óleo Pesado

19

assim, utiliza-se um purificador para cada fluido, óleo pesado, óleo diesel e óleo

lubrificante.

a) Purificadores de Óleo Pesado e Óleo Diesel

Para selecionar o purificador, calcula-se a vazão do mesmo em litros/hora:

C = =/^. _. 24`. >

onde:

MCR – potência máxima contínua [kW]

b – consumo específico de óleo pesado

b = 0,1688 kg/kWh para o MCP

b = 0,194 kg/kWh para os MCAs

δ – massa específica = 0,96 kg/l

T – tempo de operação contínua

b) Purificadores de Óleo Lubrificante

Esses purificadores devem ser selecionados de acordo com o tipo do motor, tipo de

combustível e com a potência máxima contínua.

O cálculo de vazão (l/h) desse purificador utiliza a seguinte relação:

C = =/^. a

onde:

MCR – potência máxima contínua [kW]

k – fator de tamanho [l/h, kW]

20

Tabela 7 – Fator de lubrificação para motores

c) Consumo de Vapor dos Purificadores

Para se determinar o consumo de vapor dos purificadores, torna-se necessário saber-

se a área da superfície do aquecedor, através da seguinte relação:

b = C. '. (8� − 8�)400. c8� − 8� − 8�2 d

*Purificador montado horizontalmente, acrescentar 15%.

**Equação válida para óleo pesado, óleo diesel e lubrificante, descontar 15%.

onde:

S – superfície de aquecimento [m²]

Q – fluxo do fluido [l/h] – Máx. capac. da purificadora

Ρ – densidade do combustível [t/m³]

t2 – temperatura final do combustível (pré-aquecido) [°C]

t1 – temperatura inicial do combustível (tanque de sedimentação) [°C]

tv – temperatura do vapor (deve ser, no mínimo, 25 ºC maior que t2) [°C]

O consumo de vapor (kg/h) dos aquecedores selecionados é calculado utilizando-se a

relação:

/ef�. = C. '. (8� − 8�)/

onde C é uma constante que dependente da pressão de vapor e da temperatura.

Tipo de Motor Tipo de Combustível Fator k

Cruzeta O.P./O.D. 0,09-0,17

O.P. 0,28

O.D. 0,23

Dist. 0,17

Biela convencional

21

Tabela 8 – Valores para constante de consumo de vapor das purificadoras

6.1.3. Aquecedores de Água

O aquecimento de água a bordo, feito através do tanque hidróforo, tem seu uso

destinado em grande parte à higiene pessoal e outra ao uso na cozinha e na

lavanderia.

Utilizando-se o consumo médio citado no item (j) da seção 4.1.1.1 e estimando-se que

a água entra no aquecedor a 10° C, a temperatura final de 40° C e o aquecedor a

eleve a cerca de 60 a 80° C, pode-se calcular a capacidade dos aquecedores e o calor

necessário para o aquecimento. Um tempo de aquecimento entre 2 a 4 horas é um

valor aceitável para esta operação:

C. 8. .>g − >h4 = Zi�(j . .>�! − >h4

3,04. 6. 8. (40 − 10) = Zi�(j . (60 − 10) Zi�(j = 1,824. 6. 8[mn8oe�] (Navios de carga)

onde:

N – no. de pessoas a bordo

Q – quantidade total de água

� = Zi�(j . (60 − 10)8 = 50. Zi�(j

8

Pressão Vapor

[kgf/cm²]td [°C] C

1 120 910

2 133 915

3 143 920

4 151 925

5 158 930

6 164 935

7 170 935

8 175 935

9 179 940

10 183 940

11 187 940

12 191 945

13 194 945

22

6.1.4. Aquecimento de Alojamentos e Ar Condicionado

A climatização no navio, seja no inverno ou verão, é de grande importância para o

conforto da tripulação e passageiros a bordo, devendo-se evitar variações abruptas ao

longo da viagem. O consumo de água potável e doce depende exclusivamente do tipo

de embarcação (mercante ou passageiros) e também do clima da região.

Podemos considerar que a transmissão de calor é feita por contato através das

anteparas do local. Utilizando-se a relação abaixo, determina-se a quantidade de calor

desta troca como:

� = p. b. (>h − >�) Onde:

S – superfície de contato [m²]

α – coef. de transm. de calor por contato [kcal/m².h.°C]

Ti – temperatura interior [°C]

Te – temperatura exterior [°C]

O coeficiente de transmissão é adotado de acordo com a orientação da antepara que

delimita o espaço.

• anteparas horizontais: p = 2,8. q(>h − >�)r

• anteparas verticais: p = 3 + 0,08. (>h − >�), �9(>h − >�) < 10°/

p = 2,2. q(>h − >�)r , �9(>h − >�) > 10°/

Temperaturas externas podem chegar a -18°C para o Atlântico Norte, para demais

áreas, supor uma temperatura de -12°C é suficiente. Para garantir o conforto nas

acomodações as seguintes temperaturas são consideradas para cada ambiente:

23

Tabela 9 – Temperaturas consideradas para acomodações e compartimentos

6.1.5. Separador de Água e Óleo

A utilização de um separador de água e óleo tem como objetivo impedir a descarga no

mar de uma mistura de água e impurezas superior à recomendada (15 g/l).

Embarcações do tipo OSRV podem participar de operações, tanto de recolhimento de

óleo diesel derramado quanto de óleo pesado. No caso do óleo pesado,

principalmente para aqueles com viscosidade acima de 2000 SR1 a 38°C, é desejável

o aquecimento da mistura para facilitar o processo de separação.

Supondo uma mistura composta de 25% de óleo pesado e 75% de água, pode-se

calcular o calor necessário por:

q = m. c. ∆T

6.1.6. Caixas de Mar

O aquecimento das caixas de mar só é requerido para embarcações que navegam por

regiões muito frias, a fim de evitar o congelamento das tomadas de aspiração de água.

Por se tratar de uma situação específica, esta condição não será levada em

consideração para o balanço térmico.

Locais Ti [°C]

Dormitórios 18

Corredores 20

Salas de estar 20

Banheiros 22

Escadas e locais de serviços 15

Enfermarias 23

Hall 18

Oficinas 16

Paiós 14

Ginásios 14

Teatros (Navios de passageiros) 27

Restaurantes 22

Garagens (Navios de passageiros) 13

Salas 23

24

7. BALANÇO ELÉTRICO

O balanço elétrico de uma embarcação é baseado no consumo dos equipamentos a

bordo, de modo que possa ser especificado um equipamento capaz de gerar energia

suficiente para atender à demanda da potência instalada.

Os cálculos do balanço elétrico devem ser feitos seguindo-se a norma NBR 7567 de

novembro de 1992 – Execução de Balanço Elétrico, onde se determina quais

equipamentos devem ser considerados e os respectivos grupos em que são

classificados, nas condições de operação pré-definidas.

Segundo a norma, os consumidores são divididos em grupos de acordo com seu uso

considerando a potência nominal do equipamento, o fator de carga e a potência

absorvida, calculada a partir do fator de carga que representa a porcentagem de

utilização da potência nominal.

• Grupo 1 – máquinas, uso contínuo

• Grupo 2 – máquinas, uso intermitente

• Grupo 3 – máquinas, diversos

• Grupo 4 – ar cond./ventilação/aquecimento

• Grupo 5 – frigorífica de provisões

• Grupo 6 – frigorífica de carga

• Grupo 7 – máquinas de convés

• Grupo 8 –cozinha/copa

• Grupo 9 – lavanderia

• Grupo 10 – oficina

• Grupo 11 – iluminação

• Grupo 12 – equipamentos de náutica/navegação

• Grupo 13 – instalações diversas/especiais

7.1. Estimativa da Potência de Equipamentos

Nesta seção será feita uma breve explanação de como se calcular a estimativa de

consumo de equipamentos de consumo considerável na embarcação, tais como

bombas, ventiladores e exaustores. Demais equipamentos menores a bordo podem ter

sua potência estimada a partir dos catálogos de fabricantes.

25

7.1.1. Bombas

A potência estimada de uma bomba é calculada considerando-se a perda de carga e o

rendimento da mesma.

A perda de carga no transporte do fluido de um ponto a outro é resultado das perdas

devido à elevação do fluido e à resistência encontrada pelo mesmo ao longo da

tubulação.

A elevação da massa de um fluido de um ponto a outro oferece resistência ao

movimento e compõe uma das parcelas da perda de carga total. Essa parcela pode

ser calculada utilizando-se a equação de Bernoulli:

2�� = { + '|ℎ + '#�2

Sabendo-se que:

} = '|

Tem-se:

2�� = {} + ℎ + #�

2|

A equação da continuidade garante que a vazão na entrada de um sistema seja igual

à vazão na saída e tem-se:

2�� = ∆{} + ∆ℎ + ∆#�

2|

onde:

2�� – perda de carga devido à elevação do fluido [m]

p – pressão [Pa]

' - massa específica do fluido [kg/m³]

g – aceleração da gravidade [m/s²]

h – elevação [m]

V – velocidade do fluxo [m/s]

26

Uma outra parcela corresponderá ao atrito experimentado pela passagem do fluido

pela tubulação e depende de variáveis como a geometria e dimensões da tubulação,

podendo ser calculada pela equação de Darcy-Weisbach e o ábaco de Moody, como:

2�� = ∆mh = $. ~��;h� . �#�2|�

onde:

2�� – perda de carga devido ao atrito das paredes da tubulação [m]

f – fator de atrito

�� – comprimento da tubulação [m]

;h – diâmetro interno da tubulação [m]

A perda de carga total será calculada por:

2�� = ∆{} + ∆ℎ + ∆#�

2| + ∆mh

O trabalho requerido pela bomba para movimentar o fluido através do sistema, uma

vez conhecida a perda de carga, pode ser calculado por:

�� = 2�� . #em. }

E a potência necessária será:

� = 2�� . #em. }8

Colocando-se o volume em termos de vazão do fluido (C = #em/8) e, considerando-se

o rendimento da bomba, tem-se:

� = 2��. C. }�

7.1.2. Ventiladores e Exaustores na Praça de Máquinas

O compartimento de máquinas de uma embarcação requer atenção especial quanto à

alimentação e renovação de ar. Máquinas pesadas necessitam de grande fluxo de ar

27

na admissão para um bom funcionamento. Por outro lado, a renovação do ar é de

extrema importância para as pessoas que trabalham no ambiente, devido à exposição

ao calor, a vapores de combustão, óleos e demais processos.

Pode-se estimar a quantidade necessária de ar na praça de máquinas através da

seguinte expressão:

�� = ��0 + �� + �� + ��h%%

onde:

��0 – vazão de ar necessária na admissão dos motores principais [m³/s]

�� - vazão de ar necessária na admissão dos motores auxiliares [m³/s]

�� - vazão de ar necessária na admissão das caldeiras [m³/s]

��h%% - vazão de ar necessária para dissipação de calor [m³/s]

Motor de Combustão Principal

A vazão de ar necessária para admissão do motor principal pode ser estimada por:

��0 = ��0. ��'��

onde:

��0 – potência máxima contínua medida no eixo [kW]

�� – vazão de ar admitida pelo motor principal de acordo com o manual do fabricante

[m³/s]

'�� – Massa específica do ar a 35 °C [kg/m³]

28

Motor de Combustão Auxiliar

A vazão de ar necessária para admissão do motor auxiliar pode ser estimada por:

�� = ��. ��'��

onde:

�� – potência máxima contínua medida no eixo [kW]

�� - vazão de ar admitida pelo motor auxiliar de acordo com o manual do fabricante

[m³/s]

'�� – massa específica do ar a 35 °C [kg/m³]

Caldeira

A vazão de ar necessária para admissão de uma caldeira pode ser estimada por:

�� = .��0��. /��. /��4'��

onde:

��0�� – vazão máxima de vapor gerado [kg/s]

/�� – consumo de combustível [kg/kg vapor]

/�� – consumo de ar para combustão [kg/kg combustível]

'�� – massa específica do ar a 35 °C [kg/m³]

8. ANÁLISE DE CASOS

Nesta seção é apresentada a abordagem da proposição deste trabalho a partir da

análise de duas embarcações semelhantes no seu uso, com ligeiras diferenças na

concepção de seus projetos.

As embarcações selecionadas foram Mar Limpo II (Estaleiro São Miguel/Rolls Royce)

e Astro Tupi (Astromarítima/Guido Perla). Os navios Mar Limpo II e Astro Tupi são

novas construções do tipo OSRV, para prestação de serviços à Petrobras.

29

As duas embarcações fazem uso de um grupo gerador formado por três diesel-

geradores para suprir a alta demanda elétrica, resultante do alto grau de

especialização dos navios, utilizando grande quantidade de equipamentos eletrônicos

e propulsão através de motores elétricos.

Figura 8 – OSRV Mar Limpo II

Mar Limpo II

• LOA: 61,7 m

• LPP: 53,95 m

• Boca: 14,0 m

• Calado: 4,5 m

• Pontal: 6,0 m

• DWT: 1400 t

• Máquinas a ré

• Tanques estruturais (783 m³

ORO)

Figura 9 – OSRV Astro Tupi

Astro Tupi

• LOA: 64,05 m

• LPP: 61,61 m

• Boca: 15,6 m

• Calado: 3,5 m

• Pontal: 6,0 m

• DWT: 1300 t

• Máquinas a vante

• Silos (795,2 m³ ORO)

Num primeiro instante foram levantadas as capacidades de cada embarcação,

principais sistemas de máquinas, balanço térmico e elétrico. Numa segunda etapa

30

foram analisadas as suas semelhanças e, por fim, realizada a alternativa pela adoção

de um sistema utilizando-se uma caldeira de recuperação.

8.1. MAR LIMPO II

A embarcação Mar Limpo II é uma das mais modernas em operação no país, de uma

família de mais cinco cascos e a primeira deste tipo construída no Brasil

exclusivamente para essa função.

A embarcação conta com radares para detecção de manchas de óleo, embarcação de

serviço para o cerco da mancha, reduzindo a possibilidade de espalhamento da

mesma, skimmer com alta capacidade de sucção e canhões de água para combate a

incêndio. A geração de energia é feita através de três diesel-geradores localizados a

ré e o vapor utilizado a bordo é gerado por um boiler.

Tabela 10 – Especificações Mar Limpo II

Mar Limpo II

Capacidades

149 m³ Água doce

435 m³ Combustível

783 m³ Óleo Recolhido

Propulsão

2 azimutais 1470 kW cada

2 impelidores de proa 450 kW cada

Equips derramamento de óleo

Barreira de contenção 400 metros

Skimmer 250 m³/h

Sistema dispersante

Holofote UV

Radar de extensão de derramamento

4 canhões de combate a incêndio (1200 m³/h cada, alcance 120 m)

Bote de serviço

Sistemas de máquinas

4 bombas de descarga de óleo recolhido (100 m³/h cada)

Lavagem de tanques

Tratamento de resíduos

Tratamento de esgoto

Gerador de vapor

Sistema hidróforo

Ar condicionado

Geração de energia

3 diesel geradores 1700 ekW 2125 kVA

Gerador de porto 250 ekW

31

8.1.1. Análise de Consumo de Vapor

Nesta seção foi analisado o consumo de vapor da embarcação Mar Limpo II de acordo

com as informações esclarecidas na seção 6 deste trabalho, considerando-se tanques,

equipamentos e aquecedores nas seguintes condições:

• navegação no verão e inverno

• em operação com posicionamento dinâmico no inverno

• combate a incêndio com posicionamento dinâmico no inverno

• manobra no inverno

• carga e descarga no inverno

• fundeado durante o inverno.

8.1.1.1. Consumo de Vapor para Aquecimento de Tanques

No cálculo do calor requerido para manter aquecido o fluido dentro de um tanque,

torna-se necessário, além das temperaturas das condições analisadas, um

levantamento das superfícies que delimitam o tanque. As relações e variáveis

utilizadas nos cálculos são as mesmas apresentadas no item 6.1.1.2.

Os tanques aquecidos na embarcação Mar Limpo II são os de óleo recolhido, feito

através de bicos localizados no fundo dos tanques por difusão do vapor na mistura

contida no tanque.

Tabelas 11, 12, 13 – Calor necessário para tanques da embarcação Mar Limpo II

Temp. Final (°C) 40 Temp. Inic. (°C) 25 Volume (m³) 128,6

Superfície de Troca A (m²) U (kcal/h.m².°C) Te. Verão (°C) Te. Inv. (°C) ΔT Verão (°C) ΔT Inv. (°C) Qant Verão (kcal/h) Qant Inv. (kcal/h)

Topo (Convés) 26,5 6 25 2 15 38 2385 6042

Fundo (Duplo Fundo) 26,5 4 40 15 0 25 0 2650

Vante (Slop Tq.) 34,45 6 40 15 0 25 0 5167,5

Ré (Tq. ORO) 34,45 6 40 15 0 25 0 5167,5

Boreste (Cost. Duplo) 25,5 8 40 15 0 25 0 5100

Bombordo (Corredor) 25,5 4 38 20 2 20 204 2040

Qant tot. (kcal/h)=> 5178 52334

6

Consumo de vapor - verão (kg/h) ==> 589 Qelev tot. (kcal/h) Qo tot. (kcal/h) Qo tot. (kcal/h)

Consumo de vapor - inverno (kg/h) ==> 683 289350 294528 341684

Tempo de aquec. (h)

Tanque de Armazenamento de Óleo Recolhido 01 - BE/BB



Topo (Convés) 26,5 6 25 2 15 38 2385 6042


Vante (Tq. ORO) 34,45 6 40 15 0 25 0 5167,5

Ré (Tq. ORO) 34,45 6 40 15 0 25 0 5167,5



Qant tot. (kcal/h)=> 5178 52334

6



Tempo de aquec. (h)


32

O fluxo térmico e o consumo de vapor para aquecimento dos 6 tanques de óleo

recolhido são respectivamente:

Tabela 14 – Fluxo térmico e consumo de vapor para tanques da embarcação Mar Limpo II

8.1.1.2. Consumo de Vapor de Equipamentos

A embarcação Mar Limpo II dispõe de poucos equipamentos que fazem uso de

vapor para aquecimento, sendo requisitado pelo purificador, pelo tanque hidróforo

e pelas acomodações.

• Purificador

O consumo de vapor do aquecedor do purificador de óleo diesel foi calculado

utilizando-se os procedimentos apresentados no item 6.1.2.

• Tanque Hidróforo

O tanque hidróforo, utilizado no aquecimento da água utilizada a bordo pelos

tripulantes e passageiros, tem seu consumo estimado de acordo com o item 6.1.3.



Topo (Convés) 26,5 6 25 2 15 38 2385 6042


Vante (Tq. ORO) 34,45 6 40 15 0 25 0 5167,5

Ré (Corredor) 34,45 4 38 20 2 20 275,6 2756



Qant tot. (kcal/h)=> 5729 47511

6




Tempo de aquec. (h)

Verão Inverno

Fluxo térmico (kW) 2085 2402

Consumo de vapor (kg/h) 3586 4130

Equipamento Qde. Vazão (l/h) Cons. Vapor (kg/h)

Purificadora 1 2990 79,73

Equipamento Qde. Cons. Vapor (kg/h)

Tanque hidróforo 1 7,00

33

• Aquecimento de Acomodações

O aquecimento das acomodações foi feito conforme o exposto no item 6.1.4,

considerando-se as áreas de contato, os respectivos coeficientes de transmissão

de calor e as temperaturas desejadas.

Tabela 15 – Calor necessário para acomodações da embarcação Mar Limpo II

8.1.1.3. Balanço Térmico

O balanço térmico contempla os maiores consumidores de vapor nas condições

especificadas anteriormente, considerando-se a respectiva taxa de utilização,

selecionando-se para o estudo a condição que requer maior consumo de vapor pela

embarcação.

Tabela 16 – Balanço térmico da embarcação Mar Limpo II

A maior demanda de vapor da embarcação Mar Limpo II foi identificada para a

operação de carga/descarga no inverno, requerendo um consumo de 4384 kg/h de

vapor.

Superf Área (m2) Ti (°C) Te (°C) α (kcal/m².h.°C) q (kcal/h) Cons. (kg/h)

Controle de máq. (Lateral) 80,64 23 10 4,18 4379 8,76

Controle de máq. (Teto e Fundo) 84,66 23 10 4,18 4598 9,20

Acomodações A (Lateral) 131,76 23 10 4,18 7155 14,31

Acomodações A (Teto e Fundo) 275,76 23 10 4,18 14976 29,95

Acomodações B (Lateral) 124,2 23 10 4,18 6745 13,49

Acomodações B (Teto e Fundo) 248,1 23 10 4,18 13473 26,95

Acomodações C (Lateral) 119,07 23 10 4,18 6466 12,93

Acomodações C (Teto e Fundo) 230,4 23 10 4,18 12512 25,02

Passadiço (Lateral) 107,25 23 10 4,18 5824 11,65

Passadiço (Teto e Fundo) 138,22 23 10 4,18 7506 15,01

167,27

%Consumo

Verão%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno

Tqs. Óleo Recolhido 3586 4130 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 100 4130 0 0

Aquecedor da purificadora O.D. 80 80 100 80 100 80 100 80 100 80 100 80 100 80 0 0

Aquecedor do tanque hidróforo 7 7 100 7 100 7 100 7 100 7 100 7 100 7 100 7

Ar condicionado/Calefação 167 167 0 0 100 167 100 167 100 167 100 167 100 167 100 167

TOTAIS 3840 4384 87 254 254 254 254 4384 174

FUNDEIOCARGA/DESCARGA

Consumidores

Consumo

Verão

(kg/h)

Consumo

Inverno

(kg/h)

NAVEGAÇÃO MANOBRAOPERAÇÃO COM DP FI-FI COM DP

34

8.1.2. Análise de Energia Elétrica

O consumo de energia elétrica pela embarcação foi analisado através do exposto na

seção 7, que trata dos procedimentos para execução do balanço elétrico.

Observou-se que o grupo de maior consumo nessa embarcação é o que enquadra o

maquinário de serviço contínuo (Grupo 1), especialmente devido aos azimutais

acionados por motores elétricos.

A maior requisição da demanda elétrica se dá durante a operação de manobra devido

ao sistema de posicionamento dinâmico através dos impelidores de proa, seguida pela

condição de mar. Equipamentos de ar condicionado e ventilação também têm um

consumo considerável em consequência do seu uso contínuo e do porte dos motores

elétricos.

Tabela 17 – Balanço elétrico da embarcação Mar Limpo II

8.2. ASTRO TUPI

A embarcação Astro Tupi foi a primeira desta classe projetada para o mercado

offshore brasileiro, sendo requerido um casco adicional.

Um diferencial deste projeto é a utilização de um conceito pioneiro desenvolvido pelo

escritório, posicionando-se a praça de máquinas acima do convés principal,

disponibilizando mais espaço para carga abaixo do convés.

35

Tabela 18 – Especificações Astro Tupi

8.2.1. Análise de Consumo de Vapor

A análise para a embarcação Astro Tupi segue os mesmo moldes da realizada

para a embarcação Mar Limpo II, respeitando-se as condições definidas, a fim de

se possibilitar uma comparação adiante entre os respectivos consumos.

8.2.1.1. Consumo de Vapor para Aquecimento de Tanques

Na embarcação Astro Tupi, o aquecimento dos tanques de óleo recolhido é feito

através de serpentinas instaladas em pares dentro dos tanques.

Astro Tupi

Capacidades

315 m³ Água doce

489 m³ Combustível

800 m³ Óleo Recolhido

Propulsão

2 azimutais 1700 kW cada

2 impelidores de proa 448 kW cada

Equips derramamento de óleo

Barreira de contenção 400 metros

Skimmer

Sistema dispersante

Holofote UV

Radar de extensão de derramamento

4 canhões de combate a incêndio

Bote de serviço

Sistemas de máquinas

2 bombas de descarga de óleo recolhido

Lavagem de tanques

Tratamento de resíduos

Tratamento de esgoto

Aquecedores para óleo recolhido

Sistema hidróforo

Ar condicionado

Geração de energia

3 diesel geradores 1700 ekW 1900 kVA

Gerador de porto 340 ekW

36

Tabelas 19 – Calor necessário para tanques da embarcação Astro Tupi

O fluxo térmico e o consumo de vapor para aquecimento dos 8 tanques de óleo

recolhido são respectivamente:

Tabela 20 – Fluxo térmico e consumo de vapor para tanques da embarcação Astro Tupi

8.2.1.2. Consumo de Vapor de Equipamentos

A embarcação Astro Tupi dispõe de poucos equipamentos que fazem uso de vapor

para aquecimento, sendo requisitado pelo purificador, pelo tanque hidróforo e

acomodações.

• Purificador

O consumo de vapor do aquecedor do purificador de óleo diesel foi calculado

utilizando-se os procedimentos apresentados no item 6.1.2.

• Tanque Hidróforo

O tanque hidróforo, utilizado no aquecimento da água utilizada a bordo pelos

tripulantes e passageiros, tem seu consumo estimado de acordo com o item 6.1.3.



Topo (Convés) 23,1 6 25 2 15 38 2079 5267


Área Lateral (Corredor) 73,75 4 40 15 0 25 0 7375

Qant tot. (kcal/h)=> 4158 29904

6



Tanque de Armaz. de Óleo Recolhido 01, 02, 03, 04 - BE/BB

Tempo de aquec. (h)

Verão Inverno

Fluxo térmico (kW) 2120 2359

Consumo de vapor (kg/h) 3645 4057

Equipamento Qde. Vazão (l/h) Cons. Vapor (kg/h)

Purificadora 1 1178 31,41

Equipamento Qde. Cons. Vapor (kg/h)

Tanque hidróforo 1 9,63

37

• Aquecimento de Acomodações

O aquecimento das acomodações foi feito conforme o exposto no item 6.1.4,

considerando-se as áreas de contato, os respectivos coeficientes de transmissão

de calor e as temperaturas desejadas.

Tabela 21 – Calor necessário para acomodações da embarcação Astro Tupi

8.2.1.3. Balanço Térmico

A embarcação Astro Tupi tem sua maior demanda de vapor para a operação de

carga/descarga no inverno, requerendo um consumo de 4251 kg/h de vapor.

Tabela 22 – Balanço térmico da embarcação Astro Tupi

8.2.2. Análise de Energia Elétrica

Na embarcação Astro Tupi, o maior consumo é referente ao maquinário de serviço

contínuo (Grupo 1), especialmente devido aos motores elétricos dos azimutais que

demandam alto consumo.

A operação de manobra é a condição de maior requisição do sistema elétrico por

conta do uso dos azimutais e impelidores de proa para uso do sistema de

posicionamento dinâmico através dos impelidores de proa. Durante a limpeza dos

tanques também pode ser verificada uma grande demanda, seguida pela condição de

mar.

Superf Área (m2) Ti (°C) Te (°C) α (kcal/m².h.°C) q (kcal/h) Cons. (kg/h)

Controle de máq. (Lateral) 84 23 10 4,18 4562 9,12

Controle de máq. (Teto e Fundo) 72 23 10 4,18 3910 7,82

Acomodações Convés Cast. (Lateral) 149,8 23 10 4,18 8134 16,27

Acomodações Convés Cast. (Teto e Fundo) 369,8 23 10 4,18 20080 40,16

Acomodações Convés 1 (Lateral) 152,55 23 10 4,18 8284 16,57

Acomodações Convés 1 (Teto e Fundo) 252,32 23 10 4,18 13703 27,41

Passadiço (Lateral) 127,71 23 10 4,18 6935 13,87

Passadiço (Teto e Fundo) 198,74 23 10 4,18 10793 21,59

152,80

%Consumo

Verão%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno%

Consumo

Inverno

Tqs. Óleo Recolhido 3645 4057 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 100 4057 0 0

Aquecedor da purificadora O.D. 31 31 100 31 100 31 100 31 100 31 100 31 100 31 0 0

Aquecedor do tanque hidróforo 10 10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10

Ar condicionado/Calefação 153 153 0 0 100 153 100 153 100 153 100 153 100 153 100 153

TOTAIS 3839 4251 41 194 194 194 194 4251 162

FI-FI COM DP MANOBRA CARGA/DESCARGA FUNDEIO

ConsumidoresConsumo

Verão

(kg/h)

Consumo

Inverno

(kg/h)

NAVEGAÇÃO OPERAÇÃO COM DP

38

Tabela 23 – Balanço elétrico da embarcação Astro Tupi

8.3. SELEÇÃO DE EQUIPAMENTOS (MAR LIMPO II/ ASTRO TUPI)

Nas seções 8.1 e 8.2 foram executados os balanços térmico e elétrico das

embarcações Mar Limpo II e Astro Tupi, onde foi possível definir as necessidades de

cada embarcação.

Para dar prosseguimento a este estudo, foi necessário avaliar a capacidade de vapor

que pode ser gerada, selecionando-se uma caldeira de recuperação e aproveitando-se

os gases liberados pela configuração atual de motores na embarcação, e se essa

produção de vapor pode atender, além do consumo do mesmo a bordo, a

possibilidade de, através do acionamento de um turbo gerador, fornecer energia

suficiente para o sistema.

Por serem embarcações de menor porte, o espaço físico é um limitante na escolha

dos equipamentos e, com isso, é limitada, também, a capacidade de produção da

caldeira.

Ambas as embarcações utilizam a mesma configuração de três motores com grande

potencial para fornecimento de gases. Os motores são do modelo 3512C do fabricante

Caterpillar, gerando 1700 kW de potência cada a 1800 RPM.

39

Figura 10 – Caterpillar 3512C

Na seleção da caldeira, além do limite de espaço físico, a opção é sempre aquela que

oferece as maiores pressões de trabalho, uma vez que o aumento da pressão melhora

o rendimento do ciclo Rankine.

Dentre as opções disponíveis no mercado, selecionamos a caldeira Aalborg OC-TCi.

Figura 11 – Caldeira Aalborg OC-TCi

A próxima etapa é calcular, a partir da quantidade de gases da combustão dos

motores, a quantidade de vapor que a caldeira será capaz de produzir. Considerando-

Capacidade de vapor 1,2 – 6,5 t/h

Produção de calor: Até 4,6 MW

Pressão de vapor: 9 bar(g)

40

se que todo o calor dos gases é aproveitado na caldeira, foi utilizada a relação abaixo

para se determinar a massa de vapor a ser gerada:

=i�(j = =��Bj . [{�� . (>� − >�)[{i�(�. (8� − 8�) + [{i�(�. (8� − 8�) + (ℎ� − ℎ�)

onde:

��- vazão total dos gases de exaustão [kg/s] 13965,3

��U� – calor espec. a pressão constante dos gases de exaustão

[kJ/kg°C]

1,105

�� – temp. gases de exaustão na saída do motor [°C] 656,3

�� - temp. ponto de orvalho do ácido sulfúrico [°C] 170

��Q – calor espec. pressão constante da água líq. [kJ/kg°C] 4,18

�� – calor espec. pressão constante do vapor d’água [kJ/kg°C] 1,87

S� – temperatura de pré-aquecimento da caldeira [°C] 100

SL – temperatura do líquido saturado à pressão da caldeira [°C] 175,38

SN – temperatura de saída do vapor [°C] 400

X� – entalpia do vapor d’água saturado na pressão da caldeira

[kJ/kg]

2773,9

XQ - entalpia da água líquida saturada na pressão da caldeira [kJ/kg] 742,83

Considerados os dados acima, calculou-se uma massa de vapor produzida pela

caldeira em cerca de:

A próxima análise diz respeito a um turbo gerador acionado pelo vapor produzido na

caldeira a fim de que seja gerada energia elétrica, aplicação conhecida como

cogeração. O processo de expansão do vapor através da turbina envolve perdas de

forma isentrópica.

=i�(j = 2712,90 kg/h = 0,75

41

Figura 12 – Diagrama Txs ciclo Rankine com cogeração

Sabendo que o rendimento da turbina seria de 100% se não houvessem perdas, pode-

se relacionar o trabalho real e ideal e determinar a eficiência do processo real como:

�� = ��% = ℎ� − ℎ�ℎ� − ℎ�%

Para um rendimento de 85% na turbina, é possível determinar-se o trabalho gerado

por:

�� = 0,85. (ℎ� − ℎ�%)

Considerando-se a 2ª. lei da Termodinâmica tem-se:

�� = ��= 6,625 kJ/kg.K

A pressão na saída da turbina é a pressão atmosférica (0,101 MPa).

ℎ� = 2773,6 kJ/kg

�� = 0,879

ℎ�% = 2403,17 kJ/kg

O trabalho fornecido pela turbina será de:

�� = 314,87 kJ/kg

4

T

s

1

2 3

5s 5

42

A potência elétrica gerada no turbo gerador depende da quantidade de vapor fornecida

pela caldeira. Sendo assim:

��j = �� . =i�(j

a potência entregue será de:

A turbina AT34C da Mitsubishi pode ser uma das alternativas para utilização.

Figura 13 – Turbo Geradores Mitsubishi

9. AVALIAÇÃO DA ALTERNATIVA DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO

PROPOSTA

Nos itens anteriores, foram feitas as análises necessárias sobre a demanda energética

de cada embarcação e a oferta disponível através da adoção de um sistema que

pudesse reaproveitar os gases da combustão dos motores de maior capacidade.

��j = 236,15 kW

43

A alternativa utilizando caldeira de recuperação e turbo gerador é largamente utilizada

em navios de maior porte, conforme comentado ao longo deste trabalho, devido ao

grande volume de gases de seus motores. É preciso agora avaliar se esta alternativa

também se mostra eficiente em embarcações de menor porte.

Com a caldeira adotada, obtém-se uma produção de vapor correspondente a cerca de

64% do valor requerido para suprir a demanda da embarcação Mar Limpo II e 62%

para a embarcação Astro Tupi.

Figura 14 – Análise de uso de vapor (Mar Limpo II e Astro Tupi)

Sendo a maior demanda referente à embarcação Mar Limpo II, para que a mesma

fosse suprida, seria necessário que a vazão dos gases de combustão fosse de 21883

kg/h ao invés dos 13965 kg/h atuais, cerca de 57% maior.

44

Figura 15 – Volume de gases de combustão

Para suprir a demanda de vapor seria necessário o dobro da quantidade de motores a

bordo das embarcações ou fazer uso do sistema combinado com a caldeira

selecionada, ou ainda uma seleção de motores maiores. Entretanto, para esta última

solução é importante observar se a temperatura com que são entregues os gases é a

mesma dos motores utilizados atualmente.

No que diz respeito à demanda de energia elétrica, as embarcações do tipo OSRV

possuem um alto grau de utilização de equipamentos eletrônicos, principalmente as

mais recentes, demonstrando serem embarcações de última geração.

A adoção de um turbo gerador se mostrou muito aquém de atender a demanda

requerida pelas embarcações gerando apenas 7% da maior demanda.

Figura 16 – Oferta e demanda de energia elétrica

3281,4

3273,6

236,15

0 1000 2000 3000 4000 kW

Análise de energia elétrica

Fornecido

Maior consumo (Mar Limpo II)

Maior consumo (Astro Tupi)

45

Para que a demanda fosse suprida, a caldeira deveria trabalhar a pressões muito

altas, não sendo permitidas para equipamentos menores devido às suas limitações

físicas, sendo necessário, então, recorrer a outras formas de geração de energia.

10. CONCLUSÃO

Com este trabalho foi possível a partir da comparação entre duas embarcações do tipo

OSRV, levando-se em consideração suas necessidades energéticas, avaliar uma

alternativa para o fornecimento de vapor e de energia elétrica para o modelo

atualmente adotado onde são empregados grupos geradores.

Foi abordado o ciclo Rankine que representa os ciclos de potência de vapor e suas

particularidades, entre elas, alternativas para melhoria do rendimento do ciclo.

Ao optar-se por uma configuração alternativa, utilizando-se uma caldeira de

recuperação e um turbo gerador, decidiu-se adotar uma configuração consagrada e

largamente utilizada em embarcações de grande porte, questionando se essa

alternativa também não seria possível em embarcações de menor porte. Entretanto, as

limitações físicas e a oferta de gases para aquecimento da caldeira se mostraram

limitantes na adoção desses equipamentos.

Para obter resultados satisfatórios para produção de vapor, uma das opções seria a

adoção de motores de maior porte ou de caldeiras combinadas, que além do

aquecimento feito pelo reaproveitamento dos gases de combustão, também fornece

calor através da queima de outro combustível (óleo ou gás).

A geração de energia elétrica passa a ser outro ponto a ser abordado, onde a energia

gerada é muito pequena frente à necessidade real. Para esse problema tem-se como

opção o uso de caldeiras que suportem pressões maiores, mas no mercado essas

caldeiras só estão disponíveis em dimensões que extrapolam o limite de espaço

disponível. A outra opção seria o reaquecimento do vapor entregue à turbina, dessa

forma o calor superaquecido, em um estado com mais energia, poderia gerar mais

potência na turbina e, consequentemente, gerar mais energia elétrica no gerador.

Vale ressaltar mais uma vez que a implantação de um sistema onde possam ser

reaproveitados os gases de combustão gerados pelos motores é um grande ganho,

não só para os operadores dos navios, reduzindo seus custos com gastos de

combustível, como para a questão ambiental, muito pode ser feito através da redução

46

de emissões de gases nocivos através de medidas como esta, contribuindo para uma

economia realmente sustentável e preocupada com essa questão.

11. BIBLIOGRAFIA

[1] Apostilas da disciplina de Projeto de Sistemas de Máquinas, Vaz, Luiz

[2] Van Wylen, Gordon, Fundamentos da Termodinâmica,

[3] Aalborg industries (Equipamentos) - http://www.aalborgindustries.com

[4] Revista Fator Brasil (Notícias,informação) - http://www.revistafatorbrasil.com.br

[5] Marine Insight, The Marine Industry Guide - http://www.marineinsight.com

[6] Bright Hub engineering (Artigos, notícias, informação) -

http://www.brighthubengineering.com

[7] GEA Westfalia (Equipamentos) - http://www.westfalia-separator.com

[8] Universidade de São Paulo (Acadêmico) - http://www5.usp.br

[9] Revista Página 22 (Notícias, informação) - http://www.pagina22.com.br

[10] Jornal O Estado de São Paulo (Notícias, informação) -

http://economia.estadao.com.br

[11]Clean North Sea Shipping (Tecnologia) - http://cleantech.cnss.no

[12] Organização Marítima Internacional (Regulamentos, Normas) -

http://www.imo.org/

[13] Instituto de Física Atmosférica, Centro alemão aeroespacial (Acadêmico) -

http://www.pa.op.dlr.de

[14] Jornal The Guardian (Notícias, informação) - http://www.theguardian.com

[15] Comissão europeia (Legislação) - http://ec.europa.eu

[16] Clayton Industries (Equipamentos) - http://claytonindustries.com

[17] Wikipedia (Informação) - http://en.wikipedia.org

[18] Ship Technology (Notícias, informação) - http://www.ship-technology.com

47

[19] Blog My Life At Sea (Notícias, informação) - http://mylifeatsea.blogspot.com.br

[20] Caterpillar Marine (Equipamentos) - http://marine.cat.com

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