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UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA
INSTITUTO DE CIENCIAS NAVALES Y MARITIMAS
EQUIPOS E INSTALACIONES NAVALES
RECOMENDACIONES EN SISTEMAS
DE ENFRIAMIENTO CON AGUA
SALADA EN UN BUQUE
ALUMNO: PABLO VELASQUEZ SANTANA
VALDIVIA, 10 DE JUNIO DE 2010
PROFESOR: MARIO LOAIZA
SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE 2
INTRODUCCION
Un sistema enfriamiento o refrigeracin es un conjunto de equipos destinados a
absorber calor disminuyendo la temperatura de los equipos a los que esta
destinado a refrigerar.
Los sistemas de refrigeracin mediante agua de mar son variados, dependiendo
del tipo de maquinaria, del diseo y la facilidad para el astillero de adquirir un
sistema determinado e instalarlo.
En la actualidad existe una amplia gama de sistemas de enfriamiento, tanto
directa como indirecta, entre estos podemos encontrar directos con enfriador de
quilla, directo con agua y aire a travs de radiador, indirecto con agua dulce y
agua de mar a travs de intercambiadores de calor, etc.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
1. TIPOS DE SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO CON AGUA SALADA EN BUQUES.
Sistemas de Enfriamiento Directo:
Directo con agua salada (Raw Water Cooling System).
Directo por circulacin de agua dulce versus agua de mar a travs de un
enfriador de quilla (Keel Cooling System). Directo por circulacin de agua versus aire a travs de un radiador.
Sistemas de Enfriamiento indirecto, por circulacin de agua
dulce versus agua de mar a travs de un intercambiador de
calor. Sistema de intercambiadores de calor para agua de chaqueta.
Enfriamiento central de motores (Central Cooling System)
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Directo con Agua Salada Este sistema consiste en succionar agua directa desde el mar con una bomba y
hacerlo circular por la chaqueta del motor principal y descargarla al costado.
Este tipo de sistema actualmente se encuentra obsoleto por los problemas de corrosin que se producen.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Directo por circulacin de agua dulce versus agua de mar a travs de un enfriador de quilla
En este sistema la transferencia de calor es mediante un enfriador de quilla, que
es un intercambiador de calor fuera de borda, que forma parte del casco o esta
adosado a el.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Quillas de Enfriamiento Pueden ser de varios tipos dependiendo de las aguas en donde se valla a
navegar y la capacidad de transferencia de calor que se necesite.
El tamao de los enfriadores de quilla la determina la temperatura a la cual trabajara el motor.
Un enfriador de quilla debe operar a su mxima capacidad cuando el buque este esttico.
Se debe tomar en consideracin la corrosin, producida por las corrientes galvanicas, y el factor de incrustacin (fouling). Es por ello que el uso de enfriadores del tipo estructuras se hace poco efectivo por el progresivo deterioro, sobre todo en aguas que sobrepasan los 30 C .
La velocidad del flujo de agua circulando en el interior del enfriador no debe ser alta (2,5 m/s) puede provocar erosin, y una velocidad muy baja (0,6 m/s) las partculas de moho, arena entre otras, van a tener la posibilidad de posarse
La direccin del flujo de agua refrigerante debe ser contraria al flujo de agua sobre el buque
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Tipos de Quillas de Enfriamiento
Tipo estructurales con perfiles.
Tipo estructural formando parte del casco.
Tipo caja
Perfiles usados para quillas de enfriamiento Tipo caja adosado a un
costado del buque
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Tipo estructurales con perfiles.
Pueden ser de varios tipos de perfiles.
En la mayora de las construcciones se utilizan, por razones econmicas, vigas
tipo C de acero estructural, debido a que por su gran rea de seccin
transversal hace que disminuya el flujo de agua y haga ms efectiva la
transferencia de calor
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Tipo estructural formando parte del casco.
Este tipo de enfriadores es usado en embarcaciones pequeas
Generalmente es una caera adosada al casco.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Quillas de enfriamiento tipo caja
son enfriadores adquiridos en el mercado y luego apernados en la parte de la
obra viva del buque
son mucho menos susceptibles a la corrosin y la incrustacin comparados
con cualquier otra solucin.
Ahorro energtico (bomba secundaria).
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Direccin del flujo de agua de enfriamiento en un enfriador de
quilla
El lquido refrigerante del motor debe circular a travs del enfriador de quilla de
popa a proa. Este flujo encontrado con el agua de mar, aumenta
significativamente la eficiencia en la transferencia de calor
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Directo por circulacin de agua versus aire a travs de un
radiador El agua caliente proveniente de la chaqueta del motor, circula a travs del ncleo del
radiador, donde es enfriado por aire empujado o succionado por un ventilador a travs de las aletas de enfriamiento .
Tener en cuanta el ruido producido por el ventilador producto de las vibraciones, esto se mejora colocando uniones flexibles.
Tener cuidado en que los gases de escape no entren en el radiador y evitar que el aire que ya paso por el radiador vuelva a ser tomado por el ventilador.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Sistema de intercambiadores de calor para agua de chaqueta.
Se compone de un intercambiador de calor por donde circula agua de mar tomada por la bomba de circulacin desde una caja de mar.
Estos sistemas tambin utilizan un regulador de temperatura de agua
(termostato) y una lnea hacia el intercambiador de calor para regular la
temperatura de operacin
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Enfriamiento central de motores (Central Cooling System)
Es aquel que enfra mltiples motores y combina muchos componentes de
sistemas individuales (bombas, intercambiadores de calor) y lo hacen parte de
un sistema central. Se reduce el numero de caeras a instalar con lo que se reduce la mano de obra
Como el numero de caeras y equipos es menor se reduce el costo de la
instalacin y mantencin.
Se puede operar con poco personal.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Sistema de enfriamiento central
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
BUQUE BASE Y SISTEMA DE ENFRIAMIENTO A
UTILIZAR
El buque base que utilizaremos ser un Anchor Handling Tug Supply Vessel (Nave de suministro, remolque y manejo de anclas de fondeo)
Sus caractersticas principales son:
Eslora total 89.50 m
Eslora entre perpendiculares 76.20 m
Manga moldeada 19.40 m
Puntal moldeado 9.00 m
Calado de diseo 6.50 m
Francobordo de diseo 2.50 m
Velocidad de Servicio 15 Kn
Bollard pull 212 Ton.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Casa Clasificadora
El buque ser construido de acuerdo con las reglas y regulaciones de la casa
clasificadora Lloyds Register of Shippin. Lloyds: X100 A1, XLMC, UMS, NAV-1, SCM, DP(AA), IWS, Ice Class 1C,
Fire-Fighting Ship 1 (2400m) with water spray "Offshore Tug Supply Ship
X100 A1: Buque de construccin nueva, de navegacin en mar abierta, y que presentan un equipo de manejo y levantamiento de anclas y muertos.
XLMC: (LRS Machinery Class)
UMS: Puede operar con sala de maquinas sin guardia.
NAV-1: En el puente de gobierno se puede acceder a todos los sist. principales.
SCM: Tiene sistemas auto-lubricadores en el sistema de propulsin.
IWS: Buque puede ser inspeccionado sin levar a dique.
Dada la complejidad de los sistemas instalados a bordo y los requerimientos de estos se optara por el sistema de enfriamiento central
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de chaqueta de los
motores principales.
Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de chaqueta de
motores auxiliares
Suministro de agua de mar para enfriamiento de agua que circula por los
frenos del winche principal
Suministro de agua de mar para enfriamiento de equipos auxiliares.
Suministro de agua de mar para sistema de Lastre.
Suministro de agua de mar para sistemas contra-incendio.
Suministro de agua de mar para la generacin de agua dulce a bordo Suministro de agua de mar para equipos auxiliares
FUNCIONES DEL CIRCUITO A BORDO
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de
chaqueta de los motores principales El buque cuenta con 4 motores principales.
Con una configuracin 2 x motor Padre e hijo.
ME 1: Motor Principal Padre Babor.
ME 2: Motor Principal Hijo Babor.
ME 3: Motor Principal Hijo Estribor.
ME 4: Motor Principal Padre Estribor
Nombre Tipo Modelo Potencia en KW RPM
ME 1 Padre MAK 8 M 32-C 3840 600
ME 2 Hijo MAK 6 M 32-C 2880 600
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Esquema motores principales
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Suministro de agua de mar para el enfriamiento de agua de
chaqueta de motores auxiliares.
Se cuenta con 2 generadores auxiliares, estos estn enumerado de babor a estribor y tienen las siguientes caractersticas.
Nombre Tipo Modelo Potencia KW RPM mximas
AE 1 Auxiliar Caterpillar 3508B 910 1800
AE 2 Auxiliar Caterpillar 3508B 910 1800
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
ESPECIFICACIONES TCNICAS DEL CIRCUITO
El circuito debe ser diseado basado en una temperatura mxima de agua de
mar de 33C y de una temperatura de agua de chaqueta de 37C
Los arreglos y materiales usados en el circuito de enfriamiento de agua de mar
deben ser seleccionados de tal manera que eviten la corrosin en caeras,
cavitacin en bombas, etc.
La lnea de Cross-Over debe contar con una vlvula intermedia, para permitir
reemplazar equipos, reparar daos.
Los intercambiadores de calor del circuito de enfriamiento de agua de mar,
deben tener descargas a costado por ambas bandas del buque.
Todos los sistemas de agua de mar deben estar protegidos contra
incrustaciones de moluscos y corrosin en cada caja de mar.
Las bombas de agua de mar para la planta principal de propulsin y equipos
auxiliares, deben estar diseadas para poder operar en paralelo.
Se debe cumplir con todas las condiciones de diseo de la casa clasificadora
Lloyds Register en lo que a diseo de caja de mar se refiere.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
DISEO DEL CIRCUITO
Este trabajo no tiene como finalidad el diseo de un circuito de enfriamiento sino
mostrar las consideraciones que se deben tomar a la hora de disear uno
En el clculo de un circuito las formulas y criterios a utilizar dependen mucho del
diseador dado que estos clculos estn afectos principalmente a la
experiencia de este.
Hay que tener en cuenta las exigencias estructurales y el diseo de la casa
clasificadora. Ademas es de suma importancia los acuerdos con el armador.
Consideraciones en el Balance Trmico del Sistema.
Presin del Sistema.
Obtencin del Agua a Bordo mediante Caja de Mar.
Obtencin de agua a bordo (cross-over)
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Consideraciones en el Balance Trmico del Sistema.
Lastimosamente toda la energa del combustible no es aprovechada y transformada a energa mecnica. Se aprovecha alrededor de un 41% de la energa total suministrada por el combustible, la otra parte de la energa se disipa en el agua de chaqueta, gases de escapes e intercambio al ambiente.
Existe una relacin especifica en la transferencia de calor y viene dada por la primera ley de la termodinmico, que dice relacin con la conservacin de energa. De aqu se obtiene que:
Q = C x V x dT
Cantidad de calor a transferir (Q)
Cantidad de flujo en la transferencia de calor (V )
Variacin de la temperatura en la transferencia de calor (dT)
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Presin del sistema
En un sistema de caeras la presin requerida no es otra mas que la oposicin al
paso de fluido y esta compuesta de varios puntos.
Presin de succin:
Prdida de presin por friccin en caeras:
Perdida de presin por altura de descarga:
Prdida de presin por formaciones de vrtices (rgimen turbulento).
Prdida de presin por incrustaciones o suciedad en el sistema.
Se recomienda que la presin de trabajo final sea 2 veces el calculo de la
oposicin al flujo.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Obtencin del Agua a Bordo mediante Caja de Mar
Son aberturas practicadas al casco y su funcin es cobijar las succiones de agua de mar para los diferentes sistemas.
Se acomodarn 2 cajas de mar en el buque base, una de alta succin y otra de baja succin.
Consideraciones sobre el tamao: Segn Lloyds Register debe tener 1 metro cbico por cada 750 KW de la
potencia total de la planta propulsora.
Si es posible el rea de cada abertura del colador debe ser menor que cualquier seccin de caera instalada en el sistema.
Consideraciones de servicio: Se deber instalar a las cajas de mar sistema de limpieza de mugre para el
colador.
Las cajas de mar deben estar en bandas contrarias, una lo ms cerca del fondo posible y la otra ms alta que la anterior de tal manera que no sean fcilmente obstruibles.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Esquema caja de mar.
1. Caja de mar
2. nodo de zinc
3. Vlvula de fondo tipo compuerta
4. Filtro
5. Vlvula de compuertas con flange para aire comprimido
6. Ventilacin a cubierta
7. Pernos con cabeza avellanada inoxidable
8. Tuercas soldadas
9. Rejilla o colador
10.Toma Colector Principal
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Obtencin de agua a bordo (cross-over)
Colector principal (cross-over) comunica las dos cajas de mar, para su
dimensionamiento se debe saber los requerimiento para cada intercambiador
de calor, por lo tanto el caudal de cada una de las bombas.
2 bombas de enfriamiento para los motores principales ( 350m3/h x 2)
2 bombas Aux. de enfriamiento para equipos auxiliares (400m3/h x 2)
1 bomba del generador de agua destilada (55m3/h)
1 bomba de incendio (44m3/h)
1 bomba de lastre (250m3/h)
Instalacin futura a considerar para el diseo (250m3/h)
Usaremos 100m3/h como un respaldo de seguridad adicional
Haciendo la sumatoria de todos estos caudales tenemos el total q es Q = 2100
m3/h, con este valor se obtiene el dimetro del colector.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Esquema cross-over
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
ELEMENTOS A UTILIZAR EN EL CIRCUITO Una vez que se ha determinado el diseo y el dimensionamiento del sistema es
necesario definir los elementos existentes en el mercado para poder armar nuestro circuito.
Principalmente los elementos q se va a utilizar son los siguientes:
Vlvulas.
Caeras.
Filtros.
Bombas.
Intercambiadores de calor.
Termmetros.
Manmetros y vacumetros.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Vlvulas
Son los elementos mas importantes de control.
Pueden conectar, abrir, cerrar, desconectar, regular, aislar una enorme cantidad de
gases y lquidos.
En nuestro circuito se colocaran vlvulas de:
Aislamiento, par aislar partes del buque que no estn en funcionamiento
De corte de descarga, para cortar las descargas a los costados segn se
requiera.
De admisin de flujo, que estn en el colector principal.
Consideraciones para nuestro circuito.
colocaremos una vlvula antes y despus de cada equipo.
Se colocaran vlvulas en los elementos como de medicin como manmetros
para evitar golpes de presin y daarlos.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Vlvula tipo globo Recomendada para:
Estrangulacin o regulacin de circulacin.
Para accionamiento frecuente.
Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulacin.
Ventajas
Estrangulacin eficiente con estiramiento o erosin mnimos del disco o
asiento.
Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas
Control preciso de la circulacin.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Vlvula de bola Recomendada para: Servicio de conduccin y corte, sin estrangulacin.
Cuando se requiere apertura rpida, vuelta.
Para temperaturas moderadas.
Cuando se necesita resistencia mnima a la circulacin. Ventajas: Bajo costo.
Alta capacidad.
Corte bi-direccional.
Circulacin en lnea recta.
Pocas fugas.
Se limpia por s sola.
Poco mantenimiento.
Tamao compacto.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Vlvula mariposa Recomendada para: Servicio con apertura total o cierre total.
Servicio con estrangulacin.
Para accionamiento frecuente.
Para baja cada de presin a travs de la vlvula.
Ventajas Ligera de peso, compacta, bajo costo.
Requiere poco mantenimiento.
Nmero mnimo de piezas mviles.
No tiene bolas o cavidades.
Alta capacidad.
Se limpia por s sola
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Vlvula Antirretorno
Tambin llamadas vlvulas de retencin, vlvulas uniflujo o vlvulas "check" , es un tipo
de vlvula unidireccional
Este tipo de vlvula es utilizada en los buque se utiliza en la descargas de costado
para evitar que el agua ingrese al buque
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Caeras
Son lo elementos principales de nuestro sistema, pues deben conducir
eficientemente el agua de enfriamientos a todas las partes que lo requieren.
Se utilizaran en nuestro sistema caeras de cromo nquel 90-10.
Las aleaciones de base cobre con nquel son ampliamente usadas en la operacin
de plantas y equipos en ambientes marinos debido a que los materiales
constructivos son capaces de soportar tanto los efectos corrosivos propios de
una atmsfera salina como los que tienen lugar en sistemas de refrigeracin
por agua de mar.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Bombas
Son elementos claves en el circuitos, pues estas hacen circular el agua para poder
refrigerar los diversos equipos.
En nuestro circuito se elegirn bombas del tipo centrifugas por sus caractersticas:
Por su amplio rango de caudal de diseo
Son bombas de baja presin.
Por su fcil regulacin de flujo mediante controladores de frecuencia del
motor elctrico de accionamiento de la bomba haciendo que desciendan las
RPM de la bomba hasta un rango que no cavite.
Porque necesitan ser cebadas pero por su ubicacin bajo la lnea de flotacin
en condicin de desplazamiento liviano, siempre presentar un nivel positivo
de agua.
Son bombas que pueden permanecer funcionando contra presin en perodos
de tiempos un poco ms prolongados que otros tipos de bombas.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Intercambiadores de calor
Los intercambiadores de calor son el ncleo propio de nuestro circuito. Todos los dems elementos conducen y completan su misin en los intercambiadores de calor.
Utilizaremos para nuestro sistema, intercambiadores de calor del tipo placas (plate coolers) debido a las ventajas
Mayor superficie de contacto (intercambio de calor)
Menor necesidad de caudal para la misma transferencia calor
Mayor comodidad en mantenimiento y reparacin
Mayor facilidad de instalacin
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Conclusiones
Se ha conocido todos los sistemas de refrigeracin para un buque de los
cuales podemos decir que el sistema central nos una gran versatilidad para
refrigerar equipos y utilizar el mismo circuito para otras operaciones por lo
cual es el mas utilizado en naves mayores.
Que la capacidad para calcular y disear un circuito viene dada principalmente
por la experiencia.
Que gracias a las casa clasificadoras tenemos una serie de directrices y
exigencias para llevar a cabo el diseo de nuestro circuito.
La gran cantidad de sistemas y equipos que se encuentran en el mercado dan a
conocer la importancia y el amplio campo de la refrigeracion.
La complejidad y la minuciosa ejecucin del proyecto, vien dada por la
importancia de la refrigeracin a bordo, tanto para el buen funcionamiento de
los equipos como de la vida til de estos, que se traduce en definitiva en
costos para el armador.
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SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON
AGUA SALADA EN UN BUQUE
Bibliografa
PRINCIPALES CONSIDERACIONES EN LA SELECCIN E
INSTALACIN DE UNCIRCUITO DE ENFRIAMIENTO POR AGUA
DE MAR A BORDO, Fernando de Gracia del Cid 2006.
http://www.geaphe.com/fileadmin/user_upload/documents/brochures/GE
A_PHE_Marine_en.pdf
http://www.fastpack.cl/espanol/menu/productos/aceros-al-
carbono/canerias
http://www.maquinasdebarcos.com/Enfriadores%20de%20quilla%20BLOK
SMA.pdf
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AGUA SALADA EN UN BUQUE
Preguntas?
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