Resistencia por formación de olas en aguas poco profundas

Artículo escrito por: Santiago Ferrer Mur

Antes de comenzar con la descripción, si el lector no conoce el mecanismo de la resistencia por formación de olas, recomendamos lea el anterior artículo: resistencia por formación de olas.

Se aprecia una gran ola en proa fruto del calado reducido y los límites laterales (Río Panamá)

El paulatino aumento de las velocidades de navegación de todo tipo de buques, pero más en especial de los grandes buques comerciales, los cuales pueden sufrir y generar grandes problemas en zonas próximas a la costa, así como la importancia que tiene la navegación en aguas continentales, hacen que el siguiente fenómeno venga siendo cada vez más estudiado.

El problema de las aguas poco profundas radica en que la resistencia de olas, en inglés bajo el acrónimo de Rw, adquiere mayor protagonismo, si cabe, en estas condiciones, pudiendo elevar su valor hasta cifras superiores al 200%.

Como podrá verse, el estudio de este fenómeno no es baladí, puesto que el Fnh (Número de Froude de altura) transcrítico (Fnh=1) puede alcanzarse y sobrepasarse, resultando en aumentos de resistencia en función de las características del buque y su velocidad, en profundidades relativamente importantes. Ello por no comentar el problema que supone en canales o ríos, donde, amén del problema del incremento de la resistencia, la ola generada interacciona con el fondo, produciendo levantamiento y arrastre de sedimento, con los consecuencias que ello puede acarrear por una transformación paulatina de la topografía del suelo, resultando en peligros tanto para la navegación como para el control de las corrientes e inundaciones, sin olvidar las repercusiones sobre el ecosistema.

Tal como introdujimos, el sistema de olas secundario está formado por dos trenes de olas, transversal y divergente, que establecen patrones de interferencia, y que tienen, aun así, ciertas diferencias en su comportamiento.

Comentábamos que los perfiles divergentes eran predominantes a Fn bajos, mientras que los perfiles trasversales iban adquiriendo mayor protagonismo a Fn superiores. También así, este patrón de olas viaja, en aguas profundas, a una velocidad proporcional a la del buque, reduciendo su velocidad relativa a medida se entra en profundidades críticas, hasta que la velocidad de su propagación pasa a ser únicamente proporcional al calado.

Igualmente introducíamos que el sistema de olas divergente tenía un ángulo característico, independiente de la geometría del casco, de 19,5º. En aguas poco profundas, este ángulo viene abriéndose hasta que, llegado el valor de Fnh=1.0, alcanza un valor de 90º, continuado por un efecto de estrechamiento cada vez mayor del tren de olas en Fnh>1.0 (Bertram, 2000), condición que llamamos velocidad supercrítica, en el contexto de profundidad.  

Patrón de olas evidentemente modificado

Pero no seguiremos hablando de ello sin introducir los términos de velocidad de desplazamiento de la onda y el Número de Froude de altura (Fnh).

La velocidad de desplazamiento de una onda, aplicable a la de desplazamiento de una ola en aguas profundas, es:

Este valor cambia en aguas poco profundas en una relación transitoria:

Hasta que se llega a la condición crítica:

Siendo, por comparar, el Número de Froude de altura, forma recíproca del Número de Richardson (Lewis Fry Richardson, 1881-1953), que establece una relación de energía potencial a cinética, en este caso mediante la altura y no la eslora:

Los valores anteriores representan:

• V: velocidad relativa del buque respecto del agua
• h: profundidad del lecho desde la superficie del agua
• c: velocidad de la ola
• g: aceleración de la gravedad
• T: Periodo de la ola
• L: longitud de la ola

Así pues, el valor de resistencia máxima se alcanza cuando ambas velocidades se equiparan, en valores entorno a V/c=1. 
Y entonces, ¿En qué punto se relacionan el calado del buque y la profundidad del lecho marino?

Pues bien, en la siguiente gráfica se representa de forma muy visual y sencilla la relación existente entre el ratio V/c, el ratio profundidad-calado h/D, y el porcentaje de aumento  de resistencia respectivo.

Por otro lado, tal como puede observarse en las curvas, existe también la posibilidad, pasado cierto valor de velocidad relativa, de experimentar una reducción en la resistencia.

Fuentes: V. BERTRAM. Practical Ship Hydrodynamics. Buttenworth Heinemann, Oxford, 2000. ISBN: 075065712x

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Resistencia por formación de olas

Artículo escrito por: Santiago Ferrer Mur

De entre las tres formas de resistencia en que puede, analíticamente, descomponerse la interacción del buque con el agua en la que se desplaza, la que caracteriza a los buques de superficie y que todavía hoy presenta un reto tanto a la simulación con modelos a escala como a la computación es la resistencia por formación de olas.

Los buques de superficie, al moverse en el agua con cierta velocidad relativa, generan un patrón de olas característico ocasionado por el desplazamiento de agua por la obra viva del casco. Este patrón de olas resulta en una absorción de energía de desplazamiento del buque, siendo un fenómeno indefectible para cualquier tipo de buque, y todavía más en buques de superficie.

El patrón de olas generado, también llamado patrón de Kelvin ya que fue Lord Kelvin Thompson quien lo describió por primera vez en 1887, puede dividirse, también analíticamente, en dos sistemas independientes con ciertas salvedades.
Este fenómeno genera una curva resistencia muy pronunciada, de crecimiento exponencial, que es crítica para cascos de desplazamiento, puesto que impone un límite a su velocidad máxima en tanto las longitudes de onda de ambos patrones de olas se superponen,  equiparándose a la eslora del casco, tal como podremos comprender a continuación. 

El sistema de olas primario:

Éste sistema de olas está directamente relacionado con la presión de origen viscoso, por la cual, el paso de un sólido a través de un fluido establece un patrón de velocidades ocasionadas por los cambios de trayectoria del fluido a través del cuerpo, deviniendo estos aumentos y disminuciones de velocidades en disminuciones y aumentos de presiones, respectivamente.

Perfil de velocidades (superior) y presiones (inferior) inducido por el cambio de geometría (Bertram, 2000)

Así pues, en un casco esquemático como el de la imagen, el flujo reduce su velocidad con respecto a la media en los extremos de proa y popa, aumentando en el cuerpo central. Ello conduce a cambios en las presiones, que serán mayores en proa y popa, y menores a lo largo del cuerpo central.

Por esta distribución de presiones podríamos aplicar la ecuación de Bernoulli a lo largo de la eslora del casco, teniendo por dicha igualdad que los puntos de mayores presiones deberán aumentar su altura, por el contrario de los de bajas presiones que deberán reducirla, ocasionando así crestas y senos.

Consecuentemente se forman crestas en las zonas de proa y popa y un seno entre ambas, a través de la sección media. Este perfil es independiente de la velocidad del buque, variando únicamente su amplitud (altura de las olas) en una dependencia cuadrática con la velocidad.

Sistema de olas secundario:

Este sistema, característico de la superficie libre de la interfaz agua-aire, resulta en un patrón de olas radiado aguas abajo, consistente en olas transversales y divergentes que, por el contrario del primario, causaría una resistencia aun si se diera en un fluido ideal no viscoso.

Simulación del sistema de olas secundario aislado

En éste, los trenes de olas divergentes, tienen, en aguas profundas, un semiángulo característico de 19,5º (Bertram, 2000) independientemente de la forma del casco. Estas olas, dominantes a bajos Fn, nacen en las zonas del casco cercanas a la superficie libre donde se producen cambios importantes de geometría, como son proa, fino de proa, popa y fino de popa. También de ello es un ejemplo, y causa de su aplicación, el bulbo de proa, cuyo cometido introducíamos en el artículo de formas favorables en proa y popa.

Los trenes de olas transversales producidos por estas variaciones, dominantes en altos Fn y  aguas poco profundas, tienen una longitud de onda que también se relaciona con la velocidad en forma cuadrática. Estos trenes de olas múltiples causan patrones de interferencia, ocasionando el problema de máximos y mínimos, pudiendo ser estas interferencias constructivas o destructivas a medida se va aumentando la velocidad, lo que viene relacionado en una forma adimensional con el Número de Froude.

Curva de resistencia conceptual con inclusión del problema de máximos y mínimos

Estos patrones de interferencia dan, en una curva de resistencia de un casco, un perfil irregular de crestas y senos donde se producen  las interacciones, tal como se aprecia en la imagen superior, de forma muy conceptual.

Siendo más realistas:

Hasta ahora, el problema de la formación de olas se ha analizado de forma sumamente teórica, sin entrar en efectos combinados o interacciones, y asumiendo que ambos sistemas eran independientes y totalmente discernibles. Pero la realidad es muy diferente, pudiendo destacarse, por el momento, las siguientes evidencias: 

Se aprecian claramente el sistema secundario,
el sistema primario que genera la gran ola de proa,
y la estela, fruto del desprendimiento en popa.

• Las presiones en el sistema de olas primario generan picos pronunciados ocasionando rápidamente olas con grandes crestas. Por supuesto, la pendiente de una ola tiene un límite hasta que colapsa, dándose éste a partir de Fn=0,25. El colapso de la ola varía el consiguiente tren de olas secundario, causando interferencias, por lo que aquí tenemos una primera interacción entre ambos trenes de olas que los hace dependientes en la práctica.
• El problema de la superficie libre alterada resulta en un trimado y hundimiento dinámicos, lo cual resulta en una nueva modificación del patrón de olas.
• Las formas o geometría del casco relativas a la superficie libre varían debido a las crestas y senos que recorren el casco así como a las olas del sistema primario.
• Los efectos de viscosidad, fricción y capa límite producen sistemas de olas imperfectos, así como el problema de la estela, que está fuera del flujo principal y que es causa de una distribución imperfecta de presiones.

Todo ello, y considerando el caso sencillo del buque desplazándose en aguas tranquilas, abiertas y profundas, en velocidades subcríticas, viene mutuamente relacionado, resultando en un problema de enorme complejidad que todavía hoy no ha sido posible resolver de forma absolutamente satisfactoria.

Parámetros del perfil de olas real, sometido a interacciones mutuas, en un buque navegando a velocidad subcrítica (U.S. Navy, 2006)

Puede continuar la lectura en: Resistencia por formación de olas en aguas poco profundas


Fuentes: V. BERTRAM. Practical Ship Hydrodynamics. Buttenworth Heinemann, Oxford, 2000. ISBN: 075065712x 

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Conformado del metal: Sistemas mecánicos

Artículo escrito por: David Mateos Fernández

Figura 1. Curvadora de rodillos para planchas

Para la construcción Naval es necesario dar cierta conformidad a planchas y perfiles, es decir, realizar un curvado de las mismas en según que zonas del buque, como por ejemplo en el pantoque. Existen sistemas mecánicos (en frío) y térmicos (en calor). Aquí se explicarán los sistemas mecánicos más comunes en los astilleros.

Curvadoras de rodillos

Figura 2. Posición rodillos

Están constituidas por tres grandes cilindros, dos inferiores y uno superior como se aprecia en la figura 1. En la figura, los cilindros están colocados en posición horizontal sobre un bastidor y apoyados sobre robustos cojinetes a la vez que respaldados en su zona central por rodillos dorsales que evitan su flexión debida a los esfuerzos a los que se someten durante las operaciones de curvado. En los cilindros se produce la curvatura cilíndrica o cónica deseada en las planchas metálicas, la longitud máxima de la plancha depende de la luz del cilindro (6-13 m) y el espesor máximo viene dado en función de la potencia que pueda desarrollar la curvadora.

Está accionada por motores en los cilindros inferiores, acercando o alejando dichos cilindros al plano diametral, se consigue el doblado de bordes más conocido como proceso de afaldillado. Para variar el radio de curvatura, el cilindro superior se puede desplazar hacia arriba. También se pueden utilizar las curvadoras para doblar planchas corrugadas colocando las piezas necesarias para poder llevar a cabo dicha operación (Fig. 2).

Figura 3. Posición para planchas corrugadas

Existe también otra disposición de los cilindros siendo ésta de cilindros verticales, dos fijos y un tercero desplazable. Su cabeza superior es desmontable lo cual permite la construcción de virolas (cilindros completamente cerrados).

Decir que para mantener la vida útil de los rodillos o cilindros, las planchas previamente deben estar exentas de impurezas y ser totalmente uniformes en su superficie.

Prensas

Figura 4. Prensa hidráulica

Máquinas de gran potencia  que son utilizadas para el doblado y aplanado de planchas y perfiles. Se montan sobre bastidores y son accionadas hidráulicamente. Se constituyen por una mesa ranurada rígida sobre la que se montan los útiles que sujetan la plancha y por otra placa ranurada en la parte superior accionada por un émbolo hidráulico donde van insertados los útiles para el empuje de la prensa.

Se pueden programar por control numérico.

Un método curioso a la vez que práctico es comprobar si las planchas han obtenido la curvatura idónea mediante el método de la curva inversa que consiste en dibujar una curva en la plancha de manera que al ser curvada se transforme en una línea recta (Fig. 5).

Figura 5. Método de la curva inversa.

Imágenes

http://www.loiresafe.com

http://www.platerolls.com/es/download/faccin_esp_web.pdf

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Propulsión a chorro marina "diseño práctico de waterjet" (cálculo fundamental del impulsor)

Artículo escrito por: Santiago Ferrer Mur

Habiendo pasado ya tiempo desde que interrumpiéramos nuestra línea de propulsión a chorro en las condiciones desemejanza de un impulsor, el siguiente artículo continúa con el cálculo fundamental del impulsor.

La velocidad específica, con cuyo cálculo concluíamos el anterior capítulo, da una idea del tipo de bomba con que se trata, siendo, para bombas de flujo axial puro, valores típicos de velocidad específica de en torno a 2,4 y, para bombas de flujo radial puro, valores típicamente menore de 1,0. Como es de esperar, las bombas de flujo mixto tendrán valores intermedios comprendidos entre los anteriores.

Cabe como referencia a esto comentar que las bombas de flujo radial, siendo, aplicadas a propulsión marina, una reliquia del pasado, no serán aquí tratadas en mayor medida. 
Estas bombas se emplearon en los inicios del desarrollo de la propulsión a chorro marina debido a que eran las que estaban entonces evolucionadas para otras aplicaciones hidráulicas, y fueron sustituidas por las de flujo axial y flujo mixto en tanto se supo que se obtenían mayores rendimientos con caudales elevados en presiones reducidas, lo que va íntimamente ligado con el valor de la velocidad específica.

Para conocer más sobre  estas máquinas puede remitirse a nuestra línea de artículos de bombas centrífugas.

La eficiencia de estos impulsores viene dada, en grandes trazos, como un cociente entre la potencia hidráulica transcrita al fluido, producto del caudal por el incremento de presión hidrostática, y la potencia imprimida en el eje, de la forma:

Donde η_p es el rendimiento de la bomba (pump efficiency) y T_q es el par en el eje (shaft torque). El caudal Q, como el resto de parámetros, en unidades del S.I. (m³/s).

Por no perder la conexión con lo práctico, el análisis de este rendimiento comporta unos valores que vienen dados como consecuencia de la precisión de diseño del impulsor, en cuyo quid se encuentran el caudal que es capaz de proporcionar, la máxima presión hidrostática que es capaz de vencer, o su equivalente en metros, ambas correlacionadas entre sí mediante el comportamiento de la bomba o impulsor merced a la aparición de cavitación.

Con ello podría, la potencia requerida en el eje, ser expresada en una potencia específica adimensional (P_N), más comúnmente llamada número de potencia (traducción literal del inglés), relacionada normalmente con el número de Reynolds, si bien también tuviera influencia en ella el número de Froude, y que, a su vez, viene relacionada con la eficiencia de la bomba, el coeficiente de flujo ϕ (flow coefficient) y el coeficiente de altura de bombeo ψ (head coefficient), ambos presentados posteriormente.

Donde el coeficiente de flujo viene dado por:

Y el coeficiente de altura de bombeo, a su vez, por:

No estando en estas expresiones incluido el tratamiento de la viscosidad del fluido, dichos valores aplicados al cálculo de la potencia adimensional pueden ser dados en diferentes unidades, siempre y cuando estas sean consistentes, para obtener el mismo valor de P_N  independientemente de las mismas, como podrían ser un ejemplo las dadas en pies (ft) (ft/s²) y (cfs).

Fuentes:

J.ALLISON. Marine Waterjet Propulsion. SNAME Transactions, Vol. 101, Maryland 1993.

N.W.H. BULTEN. Numerical Analysis of a Waterjet Propulsion System. Netherlands 2006  

Imágenes: http://www.amenkayteknik.com

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Sistema de alimentación de combustible

Artículo escrito por: Francisco Soler Preciado

A bordo de un buque mercante se suelen emplear dos tipos de combustible en función de si el buque está en puerto o realizando una maniobra o de si está en navegación.  En puerto, todas las máquinas térmicas del buque deben operar con MDO, Marine Diesel Oil, para cumplir con las reglas que estipula el Anexo VI del Convenio MARPOL 73/78. Durante la navegación se emplea como combustible en aquellos consumidores que estén preparados HFO, Heavy Fuel Oil. Estos equipos suelen ser el motor principal y el generador de vapor del buque. Los motores auxiliares, más pequeños, suelen operar con MDO, por no ser suficientemente robustos para tolerar la quema de HFO.

El uso de combustibles residuales por parte de motores marinos presenta ciertos problemas que deben evitarse. Tanto el HFO como el MDO son combustibles pesados y, después de salir de la refinería, presentan impurezas que deben ser eliminadas. Algunos de los  problemas son los siguientes:

Precipitación de asfaltenos

La precipitación por asfaltenos es un problema relacionado con la compatibilidad de los combustibles que se puede producir cuando se mezclan combustibles de distinta procedencia o distintos proveedores, incluso cuando la mezcla se da directamente en los tanques. El resultado de una incompatibilidad produce la precipitación de los asfaltenos, largas cadenas de hidrocarburos, que forman fangos que pueden llegar a taponar los filtros de combustible, incluso los inyectores. Con tal de evitar este fenómeno deben seguirse las recomendaciones del fabricante de los equipos consumidores y evitar en la medida de lo posible la mezcla de combustibles.

Contenido en Sodio y Vanadio

El Sodio y el Vanadio son metales que se encuentran en los combustibles residuales en mayor o menor medida dependiendo de su procedencia y su proceso de refino principalmente. En todo caso, los combustibles residuales empleados en motores marinos siempre tienen partículas metálicas de este tipo. Los motores marinos pueden sufrir las consecuencias de la abrasión que producen estos metales, sobretodo en el cilindro. Estos elementos también sirven como catalizador de la corrosión que afecta principalmente, por ser las partes sometidas a mayor temperatura, a la válvula de descarga y a la turbina del turboalimentador en el motor y al lado caliente de los intercambiadores de calor.

Contenido en agua

El contenido en  agua del combustible se reduce merced a las purificadoras de fueloil y de gasoil además de a una buena decantación en los tanques de servicio diario. Un contenido de agua mayor al esperado promoverá una combustión deficiente. El agua del combustible contribuirá a enfriar la llama y añadirá vapor a los gases de escape.

Finos catalíticos

Los finos catalíticos son partículas metálicas que se hallan en combustibles que han pasado por procesos de cracking catalítico. Estos son metales que se emplean como catalizador en la reacción química que rompe las largas cadenas de hidrocarburos que forman el residuo de una destilación atmosférica y en vacío. Los finos catalíticos están íntimamente relacionados con el agua que contiene el combustible ya que son altamente hidrófilos y dependiendo de la calidad del refino se recuperan en menor o mayor medida.

Al tratarse de partículas metálicas conllevan a problemas de desgaste por abrasión en: los inyectores, los pistones y camisas del motor y las bombas de alimentación de combustible. El problema más grave se presenta cuando las partículas más finas no se adhieren a la capa de lubricante que además de reducir la fricción ejerce tareas de limpieza.

Vistos los problemas que conlleva la operación del motor con combustibles residuales se realiza una descripción de las partes principales de un sistema de alimentación de combustible.

Tanques almacén

Todo sistema de combustible empieza en el tanque almacén. Es aquí donde se recibe el combustible y se envía al sistema de alimentación de los consumidores del buque. El combustible se recibe en este tanque el cual no puede llenarse al máximo con tal de permitir las dilataciones y contracciones del combustible que se producen por el incremento de temperatura exterior. La operación de llenado de tanques almacén se conoce como consumo o bunker. Este tanque está permanentemente calentado con tal de permitir que el fuel oil reduzca su viscosidad y sea más fácil de bombear. En el caso de los tanques almacén de MDO la calefacción normalmente no es necesaria.

Bombas de trasiego

Desde el tanque almacén el combustible se envía al tanque de sedimentación merced a las bombas de trasiego principales. Estas bombas son capaces de enviar grandes caudales de combustible y deben encontrarse dobladas, formando un circuito en paralelo, por seguridad.

Tanque de sedimentación

En el tanque de sedimentación el combustible sufre un proceso de decantación por el que los lodos más pesados del hidrocarburo caen por diferencia de densidades junto con el agua que pueda contener el combustible. Los tanques de sedimentación de HFO, también deben estar calefactados, con tal de mejorar el proceso de separación. Debido a que este tanque funciona como pulmón del tanque de servicio diario puede estar doblado y alternar su uso, de esta manera se permite que el combustible haya tenido tiempo de sedimentar antes de acceder a las purificadoras.

Calentador Antes de entrar en las purificadoras el combustible pasa por un calentador que eleva su temperatura para facilitar la separación de las impurezas que contiene el combustible. El calentador se emplea en el caso del circuito de HFO ya que el MDO no tiene necesidad de ser calentado por su menor viscosidad.

Depuradora de combustible

Las purificadoras de combustible se emplean para limpiar el combustible procedente del tanque de sedimentación que va a ser enviado a los tanques de servicio diario. La limpieza del combustible, principalmente, consiste en eliminar sedimentos y agua. La transferencia del combustible se realiza mediante bombas de circulación o con las bombas que incorpora la propia purificadora.

Las purificadoras separan el agua y los sedimentos del combustible por acción de fuerza centrífuga, el mismo método que siguen las purificadoras de aceite. El funcionamiento se basa en comunicar una aceleración centrípeta al fluido que está compuesto por partículas de distintas densidades. Al rotar, las partículas de mayor densidad se desplazan lejos del eje de rotación, el agua y los sedimentos; mientras que las partículas oleosas quedan cerca del eje. El agua y los sedimentos se desechan y se envían al tanque de lodos, mientras que el fuel se envía al tanque de servicio diario. En la imagen se observa una sala de purificadoras distinguidas entre sí mediante un código de colores.

Tanque de servicio diario

Tras abandonar las depuradoras, el combustible entra en los tanques de servicio diario. En el tanque de servicio diario el combustible está listo para ser enviado a los consumidores.

Bombas de circulación

Las bombas de circulación reciben el combustible de las bombas de suministro y permiten que, en caso que el motor esté parado, el HFO vuelva al tanque de servicio diario de fueloil manteniéndose a la temperatura de almacenamiento. En caso que el motor esté funcionando, estas bombas envían el combustible hasta las bombas de alimentación. En caso de emplear MDO como combustible este grupo de bombas funciona de la misma manera, sin embargo debe evitarse el calentamiento del gasoil debido a la circulación y al paso por los calentadores.

Calentador del motor principal

Entre las bombas de circulación y el motor principal, el sistema de combustible está dotado de calentadores que elevan la temperatura del fuelóleo hasta la temperatura nominal de inyección y que, en caso de quemar MDO no deben intervenir en la calefacción del combustible.

Bombas de alimentación

Estas bombas debido a los altos caudales con que operan son alternativas y deben encontrarse dobladas por seguridad. Las bombas de alimentación pueden aspirar directamente del tanque de servicio diario o recibir el combustible procedente del las bombas de circulación. En cualquier caso cada consumidor debe ser capaz de aspirar mediante las bombas de alimentación de cualquier tanque, incluso desde el de sedimentación y el almacén. Esto se debe a que en caso de emergencia la solución puede encontrarse en el trasvase de combustible de un tanque a otro o emplear combustibles no tratados.

En el caso de los consumidores de menor tamaño, como motores auxiliarles las bombas de combustible suelen encontrarse en el interior del mismo aparato. De esta manera es el propio motor el que aspira de un tanque o de otro en función de cómo estén dispuestas las líneas. Otro consumidor de combustible es la incineradora que, en caso de requerir el encendido necesita una llama piloto de MDO para poder quemar los lodos. La bomba de lodos y de MDO debe encontrarse en el propio quemador del incinerador, la aspiración se realiza desde el tanque de lodos del buque. En la imagen se observan bombas de alimentación de combustible. Las tuberías, como puede observarse, están protegidas por un aislante y acompañadas por tuberías de calefacción de vapor. 

Bibliografía:

R.R. HALLOWELL, ed al. “Nonresident training course Engineman 3rd Class” Febrero 2003.

D WOODYARD, ed al. "Pounder's Marine Diesel Engines and Gas Turbines". Ed 8. Londres, 2004. ISBN: 0-7506-5846-0.

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Batimetría: sistemas de medida

Artículo escrito por: Santiago Ferrer Mur

Si bien la batimetría per se es un método de determinación de la profundidad instantánea en un medio acuático,  aplicadas las técnicas en un estado del arte más avanzado, permiten, además de la representación de las denominadas cartas batimétricas, lo que podrían ser equivalentes a cartas orográficas o topográficas. Estas cartas proporcionan una noción de los relieves o accidentes geográficos del fondo, siendo estos datos interesantes, amén de en lo concerniente a cartografía y navegación marina, en estudios oceanográficos o geológicos, habiendo ayudado la mejora de las técnicas, principalmente en este último siglo, a elevar al nivel actual los conocimientos de dinámica marina, costera, dinámica tectónica y otras consideraciones geológicas.

Haciendo una mirada a la historia, si bien la cartografía terrestre pudiera iniciar su revolución en el siglo XVI fruto de la expansión de Europa en el mundo, no fue hasta principios del siglo XX cuando se tomara la batimetría como un interés científico mundial.

Innovaciones como el posicionamiento global basado en observaciones empíricas, implementado en el Padrón Real de Diego Ribero (1529), un mapa global apoyado en las observaciones de Magallanes y Elcano, en lo que fue la primera respuesta de la necesidad de las naciones imperio, en este caso España, de establecer unos claros límites de sus posesiones en ultramar, fue la primera expresión científica datada en la historia en un mapa.

A partir de aquí prosigue la revolución de la cartografía científica, basada en un interés geo-político relativamente competitivo entre los imperios europeos, siendo así también precursora de los grandes centros científicos de la época. Se suceden capítulos interesantes como la primera técnica de retroproyección de la esfera terrestre en un plano, presentada en el Atlas de Mercator por Gerhard Kremer (1578), las técnicas de triangulación que, aplicadas por Giovanni Cassini en Francia, redujeron su superficie con respecto a la estimada, o las misiones del prolífico James Cook, con quien incluso se iniciasen las primeras medidas válidas del radio de la órbita terrestre, dando valor a la incógnita Unidad Astronómica.

Sin seguir escapando del tema, prácticamente a la par de la revolución en cartografía, comienza la oceanografía, aunque de interés meramente cartográfico, con quien pudiera ser el pionero, el capitán Grenville Collins (1683) de la Marina Real Británica, institución que destacó en el mismo campo con el descubrimiento, entre otros, en 1872 de la fosa de las Marianas, el punto más profundo del planeta, con 11.034 m en su zona más profunda, que vino a llamarse abismo Callenger, en honor al buque que lo documentó por primera vez. En 1903 comienza a elaborarse un mapa batimétrico global, siendo descubierta la dorsal atlántica en 1925 mediante ecosondas en la campaña oceanográfica Meteor, descubrimiento que ayudó a Alfred Wegner a formular la teoría de deriva continental. En 1967 se firma un tratado por el que se establece la Organización Hidrográfica Internacional, con base en Mónaco, que pretende estandarizar los métodos de representación de datos y la adopción de métodos eficientes en este campo, en lo que podría considerarse el primer compromiso político internacional realista de realizar estudios científicos sobre estos particulares.

El siguiente artículo realiza una introducción a los sistemas actuales de batimetría, haciendo una ligera entrada en su mecánica de funcionamiento así como su rango de aplicación.

Ecosondas: 

Se basan en la velocidad de propagación del sonido en un medio conocido, en este caso el agua.

Un transductor instalado en el casco del buque envía un pulso acústico, comandado por el transmisor, recorriendo la columna de agua hacia el fondo, reflejándose en éste y siendo recogido su eco por el mismo transductor.

El transmisor incorpora un reloj que emite en un rango de MHz, midiendo intervalos de tiempo y alternando el “switch” del transmisor/receptor, en lo sucesivo T/R. El transductor convierte la señal eléctrica que llega del T/R en acústica para, posteriormente, convertir el eco “escuchado” en señal eléctrica e introducirlo de nuevo en el sistema.

De esta forma, conociendo la velocidad del sonido en el fluido implicado, y midiendo el tiempo transcurrido entre emisión y recepción, puede conocerse la distancia perpendicular al fondo. 

Según la frecuencia en que transmita la ecosonda, de 50 a 200 kHz por lo general, se obtendrán diferentes resultados. En frecuencias bajas se obtiene una mayor capacidad de propagación, por lo que se abarcan medidas más distantes, todo ello a costa de sacrificar resolución. De otro lado, en frecuencias altas se consigue una mayor resolución del fondo, pero quedan relegadas a distancias cortas.

Este tipo de sondas presentan, aun así, un problema de resolución, y es que, debido a la relativamente reducida velocidad del sonido, en la recogida y tratamiento de la señal del eco que ha sido asociada a su vez a la velocidad del buque, los perfiles irregulares o escarpados del fondo pueden generar representaciones falsas de perfiles hiperbólicos.

Sonares de barrido lateral o multi sondas:

En primer lugar, las multi sondas son una evolución del anterior y, empleadas principalmente en el campo científico y militar, mejoran la resolución y el área de cobertura del fondo con respecto a los anteriores mediante el empleo de múltiples haces en frecuencias comprendidas entre los 100 y 500 kHz para modelos comerciales, que generan una proyección prolongada y concentrada, dispuestas en dirección paralela a la cuaderna maestra.

Los sónares remolcados de barrido lateral van montados en dispositivos submarinos remolcados, pudiendo éstos regular así su profundidad de observación, lo que da al sitema un nuevo grado de libertad. El interés de la proyección lateral radica en la interpretación posterior de las sombras producidas para así, ajustando la distancia de la proyección con la profundidad a la que navega el dispositivo, en lo que resulta un ángulo de proyección, generar objetos tridimensionales de altura y forma conocidas.

Estos sistemas, que comenzaran siendo desarrollados por la armada estadounidense para la navegación submarina, son ampliamente empleados hoy en el campo científico, y ello es debido a su simplicidad de operativa amén de la elevada resolución que generan.

Sistemas LADS (Laser Airborne Depth Souder):    

Desarrollado por la Armada Australiana a partir de 1970 a fin de proveer al país de un sistema eficiente de batimetría que permitiera cubrir rápidamente grandes superficies y distancias de costa, sus primeras pruebas datan de 1977.

Este sistema se basa en la extinción de la luz en el agua o ley de Beers-Lambert, que predice como un haz de luz disminuye en intensidad al atravesar un medio en función de su coeficiente de absorción y distancia recorrida.

Para ello se emplea un  dispositivo laser montado en un avión, que emite unos 900 Hz (pulsos/seg) y que emite en dos haces laser en dos longitudes de onda distintas, uno en infra rojo y otro en verde. La razón de ello es que el haz infrarrojo no atraviesa la superficie del agua, siendo reflejado y dando al sistema la señal de la altura del avión respecto de la superficie del mar. De otro lado, el haz verde penetra en el agua, rebotando en el fondo, y dando al sistema, debido a la extinción sufrida, el dato de profundidad del agua, lo cual deberá ser corregido en función de la altura de vuelo y la absortividad de la capa de atmósfera recorrida hasta el mar.

Las limitaciones de este sistema vienen en que la altura de vuelo debe ser de 350 a 550 m, con una resolución espacial de unos 2 m y un rango de medida de 0,5 a 70 m de profundidad, por lo que solo son útiles en zonas costeras.

Altimetría satelital:

Estos sistemas en órbita, miden la distancia entre el satélite y la superficie del mar mediante pulsos de radar, en banda Ku de 13,8 GHz, proporcionando datos sobre los cambios en la elevación del océano debidos a alteraciones del campo gravitatorio terrestre que producen concentraciones o dispersiones de grandes masas de agua.

De esta forma la superficie del océano se convierte en un reflejo de la topografía del fondo en forma de anomalía del geoide.

La superficie del mar es siempre perpendicular a la dirección de la gravedad local, produciendo las concentraciones o déficits de masa, por montes o fosas submarinas respectivamente, atracciones o dispersiones de masas de agua que elevan o deprimen la superficie de agua contigua.    

Ello también se realiza mediante un acelerómetro instalado en el satélite que mide las ligeras variaciones que éste sufre en su altura orbital al pasar sobre zonas con mayor o menor concentración de masa.

El problema de estas medidas es que, amén de no proveer de buenas resoluciones, las diferencias de atracción gravitatoria pueden venir influidas, no únicamente por la elevación del terreno, sino también por la diferencia de densidades del terreno, que podrían darse por depósitos de diferentes  materiales, por ejemplo.

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Queroseno

Artículo escrito por: Francisco Soler Preciado

El queroseno es un combustible procedente de la destilación del petróleo crudo. Un gran número de combustibles reciben esta clasificación general, encontrándose en el rango de destilados medios. El queroseno puede obtenerse a partir de la destilación atmosférica del petróleo crudo o a partir de un proceso de cracking catalítico, siendo procedente, en este caso, de residuos pesados.

Al tratarse de un derivado del petróleo su composición y su calidad varía en función de la procedencia del crudo y del tipo proceso de refino al que se le haya sometido. De todas maneras, según el American Petroleum Institute, el queroseno consiste en cadenas de hidrocarburos de entre 9 y 16 átomos de Carbono, con un rango de puntos de evaporación de entre 145 y 300 ºC. En él están presente, normalmente, en un 70% cadenas de hidrocarburos parafínicos y naftas. La presencia de estas cadenas de hidrocarburo lo convierten en un combustible con poco retardo en la ignición. El queroseno, además, es un buen disolvente, insoluble en agua pero sí en una gran mayoría de derivados del petróleo.

Está caracterizado por ser un combustible menos volátil que la gasolina y, por tanto, tiene un punto de relampagueo o “flash point inferior”. Esta característica hace que el queroseno sea un producto más seguro y manejable que otros combustibles derivados de la destilación del petróleo como las gasolinas o los gasóleos ligeros.

La aplicación principal de los querosenos reside en la propulsión de motores de aviación, debido a su poder calorífico de alrededor de 42.800 kJ/kg aunque también se utiliza como disolvente o como combustible doméstico. Las propiedades que lo convierten en un buen combustible son su estabilidad, su lubricidad y su limpieza, principalmente. El queroseno al no ser soluble en agua permite que los problemas derivados en la iginición que el agua conlleva desaparezcan. Estas propiedades se modifican en cada tipo de queroseno para obtener unas condiciones ideales.

Como combustibles más destacados se encuentran los siguientes:

Jet A-1

El Jet A-1, también conocido como ATK “Aviation Turbine Kerosene” se emplea en aviación comercial y se produce a partir de estandarizaciones de índole internacional. En Estados Unidos se emplea una variación de este combustible, de propiedades muy similares, conocida como Jet A. El Jet A-1 tiene un “flash point”, temperatura a la que después de acercar una llama el combustible se enciende para autoextinguirse, de 38 ºC. Su temperatura de autoencendido es de 210 ºC y su punto de congelación está en los -47º C y -40º C para el Jet A. Su coloración es de un amarillo pálido y su aspecto es de líquido ya que su densidad está entre los 0,775 y los 0,84 g/cm³ a 15 ºC. 

Jet B

Es otro tipo de combustible basado en el queroseno empleado en aviación comercial. Este contiene más naftas que el Jet A-1 convirtiéndolo en un compuesto más ligero y, por ello, se emplea en climas fríos. Esta característica hace que sus puntos flash y de autoencendido sean inferiores de manera que resulta más difícil de transportar y manejar.

JP-8

El JP-8 “Jet Propellant 8” es un combustible de la familia JP  utilizado para propulsar motores a reacción de aeronaves militares. Pese a ello tiene propiedades similares al Jet A-1, encontrando su flash point en 38 ºC y su punto de autoencendido, al igual que el Jet A-1, en 210 ºC. Este combustible contiene aditivos inhibidores de la corrosión, anticongelantes y lubricante. Una variante de este combustible está clasificada bajo el código NATO como el F-35 teniendo propiedades similares pero no anticongelantes, convirtiéndolo en un hidrocarburo más volátil. Otra variante es el JP-8+100 que contiene estabilizadores de temperatura que reducen la suciedad que causa el queroseno en el interior de la turbina. 

Bibliografía:

American Petroleum Institute “Robust Sumary of information on Kerosene Jet fuel” Septiembre 2010.

Department of Defense USA, “Detail Specification Turbine Fuel: JP-8, NATO F-35 and JP-8+100” Octubre 2011.

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Corte Térmico del metal: Corte por Plasma

Artículo escrito por: David Mateos Fernández

Figura 1. Corte por plasma

Se puede definir al plasma como una cierta masa de gas ionizado que tiene la propiedad de conductividad eléctrica. El fundamento en el cual se basa la técnica de corte por plasma es el salto eléctrico que se produce entre un electrodo (cátodo) y la pieza a cortar (ánodo), como resultado se obtiene plasma que posteriormente es estrangulado mediante una tobera de pequeño diámetro obteniendo temperaturas muy elevadas (30.000 °C) que son capaces de fundir el metal a procesar.

Al aportar de manera continua energía térmica, se multiplican las colisiones entre los átomos debido a su incremento de velocidad. En dichas condiciones es posible disociar las moléculas e ionizar el gas, es decir, separar los electrones convirtiendo al átomo en un ión cargado positivamente. A medida que aumenta la temperatura las cargas positivas y negativas se equilibran ionizándose por completo y actuando como conductor eléctrico, momento en el cual se establece un arco eléctrico oscilante denominado plasma con el que se consiguen temperaturas muy elevadas.

Esta técnica es utilizada fundamentalmente en aceros al carbono, inoxidables y aluminio. A diferencia del Oxicorte, no se producen reacciones químicas entre el gas y la pieza de manera que se puede utilizar para cualquier tipo de metal eléctricamente conductor, incluso aquellos que resisten el Oxicorte, como el titanio, cobre, níquel y sus aleaciones. Ajustando la intensidad y la velocidad del corte se consigue el corte óptimo para cada tipo de metal.

Como medio plasmágeno puede emplearse cualquier mezcla de gases siempre y cuando no alteren las propiedades del electrodo ni de la pieza a cortar:

• Para aceros al carbono, aceros aleados y fundiciones de hierro se emplean mezclas de nitrógeno-hidrógeno o aire comprimido.
• Para aceros inoxidables, aluminio y sus respectivas aleaciones así como para metales no férreo, se emplean mezclas de argón-hidrógeno o de nitrógeno-hidrógeno.

El flujo de iones se dirige por medio de un chorro de agua proyectada a través de una tobera. Su función, además de orientar al plasma, es refrigerar la boquilla debido a las temperaturas que se alcanzan en el proceso.

Figura 2. Elementos soplete de corte por plasma.

Se puede utilizar tanto manual como mecánicamente (por control numérico). El sistema automático que se utiliza en los astilleros consta de una piscina en la cual se introduce la plancha a cortar (introduciendo y extrayendo el agua mediante bombas), para evitar la contaminación por los humos tóxicos deprendidos durante el proceso, eliminar las partículas en suspensión y disminuir los niveles de ruido y luminosidad aparte de mantenerse térmicamente homogénea evitando cualquier deformación por diferencias de temperaturas en cualquier punto de la plancha.

La velocidad es superior a la del Oxicorte siendo que sea en la práctica una de las más utilizadas industrialmente.

Imágenes

http://www.kaltenbach.com

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