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MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE ENSINO DA MARINHA CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE WANDENKOLK CURSO DE APERFEIÇOAMENTO AVANÇADO EM PROPULSÃO NAVAL TRABALHO DE PROPULSÃO ELÉTRICA SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD PRIMEIROTENENTE QCCA GUSTAVO EMÍLIO DE GOIS PRIMEIROTENENTE QCCA FELIPE MIGUEL RIBEIRO PRIMEIROTENENTE QCCA MAURÍCIO DUTRA MAFFI CIAW NOV 2020 SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD Resumo O presente trabalho tem como foco dentre as tecnologias de propulsão independente do ar AIP a apresentação da propulsão diesel de ciclo fechado CCD Após citar e distinguir brevemente as principais tecnologias de AIP atualmente disponíveis é apresentado um histórico da aplicação e evolução do sistema CCD desde a Primeira Guerra Mundial Na terceira parte do trabalho especial atenção é dada aos tipos de tecnologia CCD apresentando os sistemas Maritalia o ciclo Nitro e o ciclo DieselArgônio Posteriormente são expostas as vantagens e desvantagens de acordo com a literatura Por fim são expostas as perspectivas futuras do ciclo fechado ante outras tecnologias atuais que concorrem para melhorar a furtividade e a permanência dos submarinos no ambiente subaquático Palavras chave AIP ClosedCycle Diesel Submarinos SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 3 2 HISTÓRICO DOS SISTEMAS CCD 4 3 SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD 7 31 MARITALIA 7 32 CICLO NITRO 8 33 DIESELARGÔNIO 9 34 VANTAGENS E DESVANTAGENS 13 4 PERSPECTIVAS FUTURAS 14 5 CONCLUSÃO 15 REFERÊNCIAS 17 3 1 INTRODUÇÃO Os submarinos têm sido foco de interesse das forças navais desde que foram apresentados ao mundo como uma arma de guerra por volta de 1900 FRENCH 2010 Desde então buscase formas de melhorar o desempenho dos mesmos que em seus primórdios eram na verdade navios de superfície capazes de submergir para realizar ataques THORNTON 1994 Dentre os principais avanços estão os relacionados à propulsão os quais se consolidaram durante as duas grandes guerras mundiais gerando o paradigma da propulsão elétrica suprida por baterias quando o submarino se encontra submerso e dieselelétrica para propulsão ao mesmo tempo que recarrega as baterias quando emerso Esses submarinos ficaram posteriormente conhecidos como submarinos convencionais Entretanto a furtividade dos submarinos acaba prejudicada quando eles estão na superfície De acordo com Neto 2009 nessas horas em que sobe à superfície para captar o ar atmosférico o submarino convencional tornase vulnerável à detecção por radares de navios ou aeronaves em função das partes expostas acima da linha dágua Em razão disso com o objetivo de evitar tal exposição os submersíveis devem economizar energia ao máximo o que lhes limita a mobilidade Nesse ínterim foram surgindo diversas soluções para aumentar a furtividade dos submarinos É o caso do Snorkel que permitiu aos submarinos alcançarem o ar atmosférico com uma menor exposição Surgiram também os sistemas de propulsão independentes do ar AIP e a propulsão nuclear possibilitando que os submarinos se desloquem e recarreguem suas baterias no ambiente subaquático sem a necessidade de acessar o ar atmosférico Em teoria existem quatro sistemas principais de AIP atualmente disponíveis sendo estes a tecnologia Closed Cycle Diesel CCD MESMA Module dEnergie SousMarine Autonome Stirling e o sistema de células de combustível de hidrogêniooxigênio Cada um oferece uma solução diferente com vantagens tecnológicas específicas bem como limitações operacionais em relação ao desempenho geral segurança e custos Segundo Teixeira 2019 a tecnologia Stirling consiste de um motor de ciclo fechado com um fluido de trabalho que está permanentemente contido no sistema Uma fonte de energia é usada para aquecer esse fluido de trabalho que por sua vez move os pistões e aciona o motor O motor é acoplado a um gerador que gera eletricidade e carrega a bateria A fonte de energia usada 4 aqui é normalmente LOX oxigênio líquido como oxidante e combustível diesel que é queimado para gerar calor para o fluido de trabalho De acordo Bitzinger 2016 o sistema MESMA é composto de uma de turbina alimentada por vapor gerado pela queima de etanol e LOX oxigênio líquido O sistema produz vapor que por sua vez aciona um alternador que alimenta o motor elétrico principal Conforme Teixeira 2019 e Sutton 2016 na tecnologia de células de combustível obtémse energia elétrica através de uma reação química Este sistema não possui partes móveis e também não ocorre a grande temperatura não provocando assim a transformação de energia em calor reduzindo as perdas por dissipação térmica De forma simplificada a energia provém da mistura entre os gases oxigênio e hidrogênio A reação entre estes dois elementos produz energia elétrica e como subproduto produz água pura De acordo com Bitzinger 2016 o sistema opera recarregando as baterias dos submarinos ou no caso da tecnologia de membrana de eletrólito de polímero PEM alimenta diretamente o motor elétrico deixando apenas água destilada como produto residual O sistema de propulsão CCD Closed Cycle Diesel incorpora um motor diesel padrão que pode ser operado na superfície ou mesmo quando submerso Quando submerso no entanto envolve o funcionamento em uma atmosfera artificial sintetizada a partir de oxigênio líquido LOX armazenado um gás inerte geralmente argônio e produtos da exaustão reciclados Os gases de exaustão do motor dióxido de carbono nitrogênio e vapor de água são resfriados limpos e separados em seus constituintes com o argônio sendo reciclado Os gases restantes são misturados com água do mar e descarregados para o meio externo BITZINGER 2016 O sistema CCD será abordado com mais detalhes neste trabalho 2 HISTÓRICO DOS SISTEMAS CCD De acordo com Daniëls 1997 já em 1907 na Alemanha foi realizada uma tentativa de desenvolver um ciclo diesel independente do ar atmosférico o sistema consistia em descartar parte dos gases de descarga e o restante era complementado com oxigênio e reutilizado mas devido à dificuldades em controlar o oxigênio o trabalho foi descontinuado O primeiro CCD promissor foi desenvolvido pelo engenheiro soviético SA Basileviskiy antes da Segunda Guerra Mundial O sistema de Basileviskiy ficou conhecido como REDO Regenerativny Edini Dvigatel Osebovo Naznacheniya e foi instalado no submarino S92 em 1938 O protótipo de outro CCD desenvolvido pelo engenheiro AS Kassatsir foi instalado no 5 submarino experimental M401 e lançado em 1941 o submarino realizou 74 cruzeiros no Mar Cáspio incluindo 68 mergulhos e 360 milhas náuticas cerca de 670 km em sua planta de ciclo fechado O trabalho adicional foi temporariamente suspenso devido à guerra mas foi retomado após o fim das hostilidades em Leningrado POLMAR 1991 Nesse mesmo período a Alemanha estava desenvolvendo seu próprio sistema CCD que ficou conhecido como Kreislauf e estava previsto para ser instalado em um submarino da classe XXVIIK entretanto com o fim da guerra o projeto foi interrompido antes mesmo de ser posto em prática DODSON 2020 Por 15 anos após a Segunda Guerra Mundial os soviéticos continuaram o desenvolvimento de motores diesel de ciclo fechado Os dados obtidos a partir dos testes do submarino experimental M401 em conjunto com as informações do sistema Kreislauf alemão formaram uma base para a concepção do Projeto 615 classe Quebec No início da década de 1950 a União Soviética desenvolveu o pequeno submarino do Projeto A615 designado como classe Quebec pela Organização do Tratado do Atlântico Norte OTAN com um deslocamento normal de 406 toneladasFigura 1 Foi concebido com um motor diesel de ciclo fechado o que permitiu aumentar significativamente a permanência e a velocidade quando submerso Foram construídos 30 submarinos em série de acordo com o Projeto 615 entre 1953 a 1957 PROJECT 2020 Figura 1 Submarino do projeto A615 Fonte CHAPTERS 2020 Os submarinos da Classe Quebec foram equipados com dois motores Diesel convencionais para funcionar na superfície Um terceiro motor diesel de ciclo fechado usando oxigênio líquido e gases de escape reciclados operava o submarino quando submerso Isso deu aos submarinos da classe Quebec boa velocidade e alcance De acordo com Sutton 2016 o sistema de oxigênio líquido era a fonte de incêndios frequentes e os submarinos da classe Quebec passaram a ser conhecidos por suas tripulações como Zippo famosa marca de isqueiros Os submarinos foram modernizados no final da década de 1950 como Projeto M615 mas permaneceram suscetíveis a incêndios e não eram seguros 6 O submarino M256 afundou no Báltico em 26 de setembro de 1957 após uma explosão e incêndio no sistema de oxigênio líquido Após a explosão inicial o submarino emergiu e a tripulação evacuou para o convés Apesar dos esforços de combate ao incêndio o fogo se espalhou para um compartimento adjacente Condições meteorológicas muito ruins impediram os navios próximos de prestar ajuda Após quatro horas o submarino perdeu repentinamente a estabilidade e afundou sobrevivendo apenas 7 dos 35 homens PROJECT 2020 Outro submarino da classe o M351 afundou no Mar Negro sem vítimas Os submarinos do Projeto M615 eram comparáveis aos submarinos alemães da classe Type 205 Seus motores diesel AIP estavam cerca de um quarto de século à frente de qualquer projeto ocidental comparável e se a marinha soviética tivesse continuado com o programa eles teriam sido a base de uma frota com capacidades ameaçadoras Por fim esse sistema foi removido dos submarinos e substituído por um terceiro motor a diesel convencional PROJECT 2020 Os esforços de desenvolvimento de submarinos com motores diesel de ciclo fechado foram encerrados pelos soviéticos na década de 1970 e os submarinos do Projeto 615 foram retirados de serviço Eles haviam alcançado um tempo de permanência e alcance submersos muito maiores mas esse sucesso foi anulado pela natureza insegura de seus sistemas AIP O conceito foi abandonado e com ele uma das poucas áreas onde a tecnologia de submarinos soviética estava muito à frente a tecnologia de submarinos ocidentais Após a década de 70 surgiram os sistemas Maritalia que armazenava gases num conjunto de vasos de pressão toroidais o Ciclo Nitro e o ciclo DieselArgônio Figura 2 Figura 2 Esquema simplificado de um sistema CCD Fonte PIWOWARSKI 2013 7 3 SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD De acordo com NRP 2016 a tecnologia CCD envolve o armazenamento de oxigênio líquido LOX para operar um motor diesel quando o submarino estiver submerso Para que os motores funcionem com segurança sem serem danificados é necessário simular a concentração de oxigênio do ar atmosférico para isso o oxigênio é misturado a um gás inerte geralmente argônio e em seguida enviado ao motor Ainda segundo NRP 2016 os gases da exaustão são resfriados e limpos para extrair qualquer resíduo de argônio e oxigênio que possam ser reutilizados no ciclo o restante é misturado com água do mar e descarregado no ambiente externo 31 MARITALIA De acordo com Sutton 2015 na década de 1970 um pequena empresa italiana desenvolveu minissubmarinos com motores de ciclo diesel fechado O engenheiro italiano Giunio Santi projetou uma maneira de construir submarinos a partir de tubos soldados como uma série de donuts Embora a forma pareça característica de um submarino o método de construção toroidal permite que cada parte do casco tenha um diâmetro ligeiramente diferente e portanto uma forma de lágrima mais hidrodinâmica Figura 3 Figura 3 Submarino na forma de gota com vasos de pressão toroidais Fonte HEEMSKERK 1990 Ainda de acordo Sutton 2015 os submarinos comuns são construídos com chapas de aço soldadas e dobradas em tubos que são então soldados ou aparafusados ponta a ponta para formar um cilindro Estes tubos em forma toroidal seriam usados para armazenar gás especificamente oxigênio que poderia ser usado para fazer funcionar um motor a diesel mesmo quando o submarino estivesse submerso Além disso a filtragem e armazenamento dos gases de escape 8 no mesmo casco tubular permitiu a verdadeira propulsão independente do ar AIP sem nenhuma emissão de escape Esta construção foi denominada Gaseous Oxygen Stored in the Toroidal pressure hull GST O oxigênio era armazenado a pressões incrivelmente altas 350 atmosferas permitindo que um grande volume de gás fosse transportado o que se traduziu em distâncias impressionantemente longas Conforme Heemskerk 1990 o sistema Maritalia foi instalado durante a década de 1970 em dois minissubmarinos experimentais 120 toneladas e 80 toneladas sendo testado com sucesso na potência máxima a 350 metros de profundidade registrando mais de 23000 horas de operação O projeto do minissubmarino suporta uma profundidade de mergulho de 400 metros e armazenamento de combustível e oxigênio para 100 MWh para um alcance teórico de 4000 milhas náuticas a oito nós A Figura 4 ilustra o submarino LWT 234 que possuía o sistema Maritalia incorporado Figura 4 Submarino LWT 234 Fonte SUTTON 2015 32 CICLO NITRO De acordo com Hawley 1994 uma pesquisa na universidade de Newcastle levou ao desenvolvimento de um ciclo diesel fechado O ciclo ficou conhecido como Ciclo NitroFigura 5 uma vez que o nitrogênio era preservado como fluido de trabalho e o excesso de dióxido de carbono resultante da combustão do óleo diesel era absorvido por um sistema de 9 absorção não regenerativo de hidróxido de potássio KOH Oxigênio era então adicionado numa proporção para possibilitar a combustão de forma semelhante à do ar atmosférico Figura 5 Diagrama Ciclo Nitro Fonte HAWLEY 1994 Posteriormente a água que é abundante no ambiente marinho passou a ser utilizada como o agente absorvedor de CO2 e o ciclo precisou sofrer alterações Como a água é um absorvente bem menos potente do que o KOH não foi possível construir um absorvedor capaz de realizar a completa absorção de CO2 o que reduzia a eficiência do ciclo Para contornar esse problema foi adicionado argônio à mistura de gases e assim surgiu o ciclo DieselArgônio 33 DIESELARGÔNIO Conforme Daniëls 1997 em 1985 os estaleiros Thyssen Nordseewerke TNSW da Alemanhã e Rotterdamsche Droogdok Maatschappij RDM da Holanda participaram do desenvolvimento de um sistema CCD com argônio Figura 6 Entre 1986 e 1989 ambos os países construíram instalações de primeira geração para testes 120 e 150 kW respectivamente e posteriormente duas instalações de segunda geração para testes uma na Carlton Deep Sea Systems CDSS de 580 kW e outra na RDM de 450 kW 10 Figura 6 Diagrama do ciclo DieselArgônio da Thyssen Fonte KOPP 2010 A RDM e a TNSW utilizaram um submarino alemão descomissionado da classe Type 205 o ExU1 Figura 7 para realizar os testes de mar do sistema CCD O ExU1 servia bem para os testes pois já possuía uma seção à mais adicionada para testes com um sistema de células de combustível A instalação CCD foi implementada em um curto espaço de tempo em um pequeno compartimento do submarino Figura 7 Submarino U1 da classe Type 205 Fonte TYPE 2020a O diagrama simplificado do sistema CCD dieselargônio mostrado na Figura 8 ilustra os principais componentes e também os dois principais fluxos de massa o sistema de reciclagem de gás e o sistema de água do mar 11 Figura 8 Diagrama simplificado do sistema CCD DieselArgônio Fonte DANIËLS 1997 Segundo Daniëls 1997 no ciclo de gás os gases de descarga são resfriados injetandose um spray de água Posteriormente os gases passam pelo absorvedor sendo submetidos ao fluxo da água do mar em contracorrente Os componentes do o gás de exaustão se dissolvem na água do mar uma vez que a água do mar admitida não está saturada com esses componentes A solubilidade do dióxido de carbono na água é muito maior do que as solubilidades do nitrogênio e do oxigênio cerca de 50 vezes e 25 vezes respectivamente Então durante a absorção de CO2 pela água do mar apenas uma pequena parte do oxigênio dos gases de exaustão será dissolvida de forma que boa parte do O2 não consumido na combustão pode ser reutilizada DANIËLS 1997 Depois que os gases de exaustão são tratados no absorvedor oxigênio e argônio são adicionados à mistura O oxigênio é necessário para o processo de combustão no motor e o argônio possui a finalidade de aumentar o calor específico da mistura na admissão DANIËLS 1997 Uma alta porcentagem de CO2 na admissão faz com que o calor específico da mistura diminua Isso acarreta em uma pressão e temperatura menores na compressão causando um atraso na ignição Assim a ignição ocorrerá com um gradiente de pressão maior e o rápido aumento da pressão na cabeça do pistão pode fazer toda a caixa de engrenagens do motor vibrar Este fenômeno é chamado de detonação DANIËLS 1997 O argônio por possui um alto calor específico faz com que o calor específico da mistura de admissão seja aumentado Isso permite uma combustão mais silenciosa O argônio deve sempre ser adicionado porque um pouco do argônio é perdido para a água do mar no absorvedor A perda de argônio é de aproximadamente 4 do consumo total e de oxigênio DANIËLS 1997 12 Após a injeção de oxigênio e argônio o gás está de volta à condição de entrada de modo que pode ser usado para a combustão do óleo diesel DANIËLS 1997 Além da versão CCD com injeção de argônio podese escolher usar outros gases como meio circulante mas resultará em uma maior produção de ruído DANIËLS 1997 No ciclo da água a água do mar passa pelo absorvedor e então é bombeada para fora de bordo No absorvedor a água é centrifugada e espalhada através de malhas aumentando a superfície de contato para melhorar a absorção DANIËLS 1997 Para tornar o ciclo independente da profundidade de operação a Cosworth Engineering que posteriormente se tornaria a CDSS desenvolveu um sistema que faz uso inteligente da pressão diferencial entre o interior e o exterior do submarino de modo que apenas a perda de pressão devido à resistência ao fluxo deve ser superada Consiste em três conjuntos de dois cilindros de dupla ação e uma série de válvulas conforme a Figura 9 DANIËLS 1997 Figura 9 Diagrama do ciclo da água Fonte DANIËLS 1997 O absorvedor e toda a tubulação à esquerda das válvulas 1 2 3 e 4 fazem parte do trecho de baixa pressão do sistema pressão do absorvedor A bomba de água do mar e todos os componentes à direita das válvulas 5 6 7 e 8 fazem parte do trecho de alta pressão pressão externa DANIËLS 1997 Se as válvulas 2 e 3 estiverem abertas enquanto as válvulas 1 e 4 estiverem fechadas a bomba de baixa pressão bombeará a água à baixa pressão com CO2 dissolvido do absorvedor através da válvula de controle de baixa pressão e válvula 2 para o topo do cilindro 1 O pistão de movimento livre se move para baixo forçando a água do mar sob o pistão passar pela válvula 13 3 para o absorvedor Ao mesmo tempo a bomba de alta pressão bombeia água do mar através da válvula 8 para a parte de baixo do cilindro 2 A água contendo CO2 acima do pistão do cilindro 2 é bombeada para o mar através da válvula 5 As válvulas são interligadas hidraulicamente e quando as válvulas 2 3 8 e 5 fecham as válvulas 1 4 6 e 7 abrem assim o cilindro 1 se torna uma unidade de alta pressão e o cilindro 2 se torna uma unidade de baixa pressão São utilizados três conjuntos de cilindros na tentativa de se obter um fluxo contínuo de água no absorvedor DANIËLS 1997 Em 1993 durante 2 meses foi realizado um teste bem sucedido com o CCD no submarino U 1 demonstrando a sua viabilidade TYPE 2020b A TNSW passou então a oferecer um kit para retrofit e modernização de submarinos COATES 2014 34 VANTAGENS E DESVANTAGENS A tecnologia CCD oferece uma solução com vantagens tecnológicas e limitações operacionais específicas Daniëls 1997 lista algumas vantagens do sistema CCD Dentre elas podemos destacar Custos relativamente baixos devido a peças comerciais prontas para uso Eficiência 3031 após as perdas do gerador Boa densidade de potência O sistema consiste em peças existentes e portanto facilmente disponíveis Pode ser facilmente adaptado a sistemas já existentes em submarinos Apesar das vantagens listadas acima Bitzinger 2016 cita que as principais limitações do CCD são quatro O CCD requer um módulo adicional para os tanques de argônio e oxigênio e outros componentes que pode influenciar adversamente a manobrabilidade do navio O CCD gera níveis de ruído e calor semelhantes aos motores dieselelétricos regulares que tornaos vulneráveis à detecção por meio de sonar e infravermelho O CCD ejeta gases dissolvidos que podem ser detectados por sensores químicos e O desempenho geral do CCD é semelhante aos motores dieselelétricos convencionais Como limitações Daniëls 1997 cita também que o período de tempo debaixo dágua depende do espaço disponível para armazenamento de oxigênio Além disso uma outra desvantagem do 14 CCD é que além do combustível há também oxigênio líquido e argônio que devem ser armazenados 4 PERSPECTIVAS FUTURAS Segundo Groizeleau 2016 a batalha pelo desenvolvimento dos sistemas AIP mais confiáveis e eficientes está travada entre os principais fabricantes de submarinos Essa tecnologia complexa é a chave para revolucionar a guerra abaixo da superfície dos oceanos Sem alcançar a autonomia ilimitada da propulsão nuclear os sistemas AIP oferecem uma considerável vantagem em termos de discrição uma das principais características de um submarino Ainda segundo Groizeleau 2016 25 dos submarinos encomendados entre 2001 e 2010 são equipados com algum sistema AIP E até 2030 estimase que 95 dos novos projetos irão incorporar um sistema AIP Em 2000 havia apenas uma única marinha equipada com AIP Em 2015 haviam 11 marinhas com AIP e deverão estar equipadas com AIP segundo estimativas de 16 a 28 marinhas em cerca de 15 anos Portanto os sistemas AIP são uma questão crucial para os construtores de submarinos pois são decisivos na batalha pelos pedidos futuros O excomandante de submarino francês Stéphan Meunier cita em entrevista para o portal Mer Et Marine os avanços recentes em baterias elétricas usando a tecnologia de íon de lítio Engenheiros franceses estimam que sem qualquer outra fonte de energia será possível construir em dez anos um submarino capaz de permanecer em imersão por mais de 30 dias sem a necessidade de emergir para recarregar suas bateriasGROIZELEAU 2020 Outra opção promissora conforme descrito por Roux 2018 é a segunda geração de células de combustível que produz hidrogênio diretamente do diesel por meio da transformação do hidrocarboneto Ao se produzir hidrogênio não só simplifica o reabastecimento e o armazenamento mas também torna o submarino mais seguro que a primeira geração que utiliza metanol como combustível Uma revolução no mundo dos submarinos com baterias de íons de lítio e sistemas independentes do ar abre caminho para uma propulsão silenciosa e totalmente elétrica ao mesmo tempo que elimina a necessidade de emersão para recarregar as baterias por meio de geradores a diesel Nesse contexto sem nenhuma pesquisa e desenvolvimento sem haver nenhum submarino que o empregue e sendo ofertado por apenas um fabricante o sistema de ciclo diesel fechado vai ficando ultrapassado 15 5 CONCLUSÃO Analisando a bibliografia exposta neste trabalho observase a importância do submarino para o poder naval desde o seu surgimento Os submarinos vem sendo empregados por todas as grandes marinhas sendo a sua principal vantagem a discrição passando dias ou até meses submerso Devido ao avanço da aviação naval durante a Segunda Guerra Mundial para evitar a detecção pelas aeronaves do inimigo surgiu a necessidade de aumentar o período submerso dos submarinos a diesel convencionais pois estes necessitam subir a superfície a noite para recarregar suas baterias Uma solução seria o submarino com propulsão nuclear que surgiu em 1955 mas com seu alto custo de produção e operação vários países iniciaram pesquisas visando prolongar o tempo submerso através de outras tecnologias até então inexistentes Dentre essas novas tecnologias destacamse os sistemas de propulsão independentes do ar AIP que possibilitaram os submarinos se deslocar e recarregar suas baterias no ambiente subaquático sem a necessidade de acessar o ar atmosférico Detalhouse a tecnologia CCD ClosedCycle Diesel a qual incorpora um motor diesel padrão que pode ser operado mesmo quando submerso envolvendo o funcionamento em uma atmosfera artificial sintetizada a partir de oxigênio líquido LOX armazenado um gás inerte geralmente argônio e produtos da exaustão reciclados Através da revisão da literatura existente podese perceber o avanço tecnológico da União Soviética após a Segunda Guerra Mundial em relação às tecnologias ocidentais no desenvolvimento aplicação e operação de motores diesel de ciclo fechado em submarinos produzindo 30 unidades da classe Quebec Percebese também o avanço tecnológico da Itália que na década de 70 desenvolveu o projeto de submarino CCD com tubos de armazenamento de oxigênio em forma toroidal As vantagens de um sistema de ciclo diesel fechado tais quais o baixo custo componentes de fabricação simples a maturidade e confiabilidade dos motores diesel e a possibilidade de adaptar sistemas já existentes sem muitas alterações são bastante atrativas para as forças navais Entretanto apesar das vantagens de um sistema CCD apenas a TNSW e a RDM na década de 90 se interessaram em desenvolver e oferecer comercialmente a tecnologia E atualmente não há nenhuma previsão de construção ou comercialização de submarinos com esse sistema 16 Podese atribuir essa falta de interesse na tecnologia CCD ao histórico de acidentes que ocorreram com os submarinos soviéticos à ausência de um sistema atualmente em aplicação e ao surgimento de outras tecnologias AIP mais seguras e eficientes como a propulsão Stirling Apesar dos esforços atuais de pesquisa e desenvolvimento estarem concentrados na evolução dos sistemas com células de combustíveis e na utilização de baterias de íons de lítio o sistema de propulsão independente do ar com ciclo diesel fechado se mantém como uma opção viável para os casos em que se deseje uma forma rápida e barata de se modernizar um submarino convencional 17 REFERÊNCIAS BITZINGER Richard A Emerging Critical Technologies and Security in the Asia Pacific Singapura 2016 p 91 a 96 CHAPTERS of history 19411955 Central Design Bureau For Marine Engineering Rubin 2020 Disponível em httpckbrubinruencompanyprofilehistory Acesso em 19 nov 2020 COATES Peter Air Independent Propulsion AIP Technologies and Selection 2014 Disponível em httpgentleseasblogspotcom201408airindependentpropulsionaiphtml Acesso em 20 nov 2020 DANIËLS SJJ Literatuuronderzoek naar verschillende typen AIPsystemen 1997 Haia p 12 a 16 DODSON Aidan CANT Serena Spoils of War The Fate of Enemy Fleets after the Two World Wars2020 FRENCH Peter D The Role of Diesel Engines in Early Submarine Development 2010 Quantico GROIZELEAU V Sousmarins La bataille des AIP est engagée Mer et Marine 2016 Disponível em httpswwwmeretmarinecomfrcontentsousmarinslabatailledesaipest engagee Acesso em 21 nov 2020 GROIZELEAU V Batteries lithiumion lavenir de la propulsion des sousmarins Mer et Marine 2020 Disponível em httpswwwmeretmarinecomfrcontentbatterieslithiumion lavenirdelapropulsiondessousmarins Acesso em 21 nov 2020 HAWLEY J G ASHCROFT S J PATRICK M A Advanced underwater power systems Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Vol 208 Part A Journal of Power and Energy 1994 HEEMSKERK KA AirIndependent Propulsion for Submarines A Canadian Perspective Maritime Engineering Journal 1991 Canadá p 6 a 9 KOPP Carlo Air Independent Propulsion now a necessity Air Power Australia 2010 Disponível em httpwwwausairpowernetSPDTAIPSSKDec2010pdf Acesso em 19 nov 2020 NETO Júlio S M A importância da construção do submarino de propulsão nuclear brasileiro Revista Marítima Brasileira Rio de Janeiro 2º trimestre de 2009 p 4983 NRP Explained How Air Independent Propulsion AIP Works Defencyclopedia 2016 Disponível em httpsdefencyclopediacom20160706explainedhowairindependent propulsionaipworks Acesso em 20 nov 2020 PIWOWARSKI Marian The Analysis of Turbine Propulsion Systems in Nuclear Submarines Key Engineering Materials vol 597 2013 p 99105 18 POLMAR Norman NOOT Jurrien Submarines of the Russian and Soviet Navies 1718 1990 Annapolis Naval Institute Press 1991 PROJECT 615 Quebec Class Global Security 2020 Disponível em httpswwwglobalsecurityorgmilitaryworldrussia615htm Acesso em 19 nov 2020 ROUX M L Secondgeneration fuel cells Mer et Marine 2018 Disponível em httpswwwmeretmarinecomfrcontentsecondgenerationfuelcells Acesso em 21 nov 2020 SUTTON H I Forgotten Super Subs of the Cold War Italian GST23 Covert Shores 2015 Disponível em httpwwwhisuttoncomAcesso em 19 nov 2020 SUTTON H I World survey of AIP submarines Covert Shores 2016 Disponível em httpwwwhisuttoncomAcesso em 19 nov 2020 TEIXEIRA Mauricio C LIMA Washington B de A Engenharia Mecânica na Concepção de um Submarino 2019 Rio de Janeiro p 144 a 146 THORNTON Grant B A Design Tool For The Evaluation Of Atmosphere Independent Propulsion In Submarines 1994 TYPE 205 submarine In WIKIPÉDIA a enciclopédia livre 2020a Disponível em httpsenwikipediaorgwikiType205submarine Acesso em 20 nov 2020 TYPE 205 coastal defense submarine Global Security 2020b Disponível em httpswwwglobalsecurityorgmilitaryworldeuropetype205htm Acesso em 20 nov 2020

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MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE ENSINO DA MARINHA CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE WANDENKOLK CURSO DE APERFEIÇOAMENTO AVANÇADO EM PROPULSÃO NAVAL TRABALHO DE PROPULSÃO ELÉTRICA SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD PRIMEIROTENENTE QCCA GUSTAVO EMÍLIO DE GOIS PRIMEIROTENENTE QCCA FELIPE MIGUEL RIBEIRO PRIMEIROTENENTE QCCA MAURÍCIO DUTRA MAFFI CIAW NOV 2020 SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD Resumo O presente trabalho tem como foco dentre as tecnologias de propulsão independente do ar AIP a apresentação da propulsão diesel de ciclo fechado CCD Após citar e distinguir brevemente as principais tecnologias de AIP atualmente disponíveis é apresentado um histórico da aplicação e evolução do sistema CCD desde a Primeira Guerra Mundial Na terceira parte do trabalho especial atenção é dada aos tipos de tecnologia CCD apresentando os sistemas Maritalia o ciclo Nitro e o ciclo DieselArgônio Posteriormente são expostas as vantagens e desvantagens de acordo com a literatura Por fim são expostas as perspectivas futuras do ciclo fechado ante outras tecnologias atuais que concorrem para melhorar a furtividade e a permanência dos submarinos no ambiente subaquático Palavras chave AIP ClosedCycle Diesel Submarinos SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 3 2 HISTÓRICO DOS SISTEMAS CCD 4 3 SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD 7 31 MARITALIA 7 32 CICLO NITRO 8 33 DIESELARGÔNIO 9 34 VANTAGENS E DESVANTAGENS 13 4 PERSPECTIVAS FUTURAS 14 5 CONCLUSÃO 15 REFERÊNCIAS 17 3 1 INTRODUÇÃO Os submarinos têm sido foco de interesse das forças navais desde que foram apresentados ao mundo como uma arma de guerra por volta de 1900 FRENCH 2010 Desde então buscase formas de melhorar o desempenho dos mesmos que em seus primórdios eram na verdade navios de superfície capazes de submergir para realizar ataques THORNTON 1994 Dentre os principais avanços estão os relacionados à propulsão os quais se consolidaram durante as duas grandes guerras mundiais gerando o paradigma da propulsão elétrica suprida por baterias quando o submarino se encontra submerso e dieselelétrica para propulsão ao mesmo tempo que recarrega as baterias quando emerso Esses submarinos ficaram posteriormente conhecidos como submarinos convencionais Entretanto a furtividade dos submarinos acaba prejudicada quando eles estão na superfície De acordo com Neto 2009 nessas horas em que sobe à superfície para captar o ar atmosférico o submarino convencional tornase vulnerável à detecção por radares de navios ou aeronaves em função das partes expostas acima da linha dágua Em razão disso com o objetivo de evitar tal exposição os submersíveis devem economizar energia ao máximo o que lhes limita a mobilidade Nesse ínterim foram surgindo diversas soluções para aumentar a furtividade dos submarinos É o caso do Snorkel que permitiu aos submarinos alcançarem o ar atmosférico com uma menor exposição Surgiram também os sistemas de propulsão independentes do ar AIP e a propulsão nuclear possibilitando que os submarinos se desloquem e recarreguem suas baterias no ambiente subaquático sem a necessidade de acessar o ar atmosférico Em teoria existem quatro sistemas principais de AIP atualmente disponíveis sendo estes a tecnologia Closed Cycle Diesel CCD MESMA Module dEnergie SousMarine Autonome Stirling e o sistema de células de combustível de hidrogêniooxigênio Cada um oferece uma solução diferente com vantagens tecnológicas específicas bem como limitações operacionais em relação ao desempenho geral segurança e custos Segundo Teixeira 2019 a tecnologia Stirling consiste de um motor de ciclo fechado com um fluido de trabalho que está permanentemente contido no sistema Uma fonte de energia é usada para aquecer esse fluido de trabalho que por sua vez move os pistões e aciona o motor O motor é acoplado a um gerador que gera eletricidade e carrega a bateria A fonte de energia usada 4 aqui é normalmente LOX oxigênio líquido como oxidante e combustível diesel que é queimado para gerar calor para o fluido de trabalho De acordo Bitzinger 2016 o sistema MESMA é composto de uma de turbina alimentada por vapor gerado pela queima de etanol e LOX oxigênio líquido O sistema produz vapor que por sua vez aciona um alternador que alimenta o motor elétrico principal Conforme Teixeira 2019 e Sutton 2016 na tecnologia de células de combustível obtémse energia elétrica através de uma reação química Este sistema não possui partes móveis e também não ocorre a grande temperatura não provocando assim a transformação de energia em calor reduzindo as perdas por dissipação térmica De forma simplificada a energia provém da mistura entre os gases oxigênio e hidrogênio A reação entre estes dois elementos produz energia elétrica e como subproduto produz água pura De acordo com Bitzinger 2016 o sistema opera recarregando as baterias dos submarinos ou no caso da tecnologia de membrana de eletrólito de polímero PEM alimenta diretamente o motor elétrico deixando apenas água destilada como produto residual O sistema de propulsão CCD Closed Cycle Diesel incorpora um motor diesel padrão que pode ser operado na superfície ou mesmo quando submerso Quando submerso no entanto envolve o funcionamento em uma atmosfera artificial sintetizada a partir de oxigênio líquido LOX armazenado um gás inerte geralmente argônio e produtos da exaustão reciclados Os gases de exaustão do motor dióxido de carbono nitrogênio e vapor de água são resfriados limpos e separados em seus constituintes com o argônio sendo reciclado Os gases restantes são misturados com água do mar e descarregados para o meio externo BITZINGER 2016 O sistema CCD será abordado com mais detalhes neste trabalho 2 HISTÓRICO DOS SISTEMAS CCD De acordo com Daniëls 1997 já em 1907 na Alemanha foi realizada uma tentativa de desenvolver um ciclo diesel independente do ar atmosférico o sistema consistia em descartar parte dos gases de descarga e o restante era complementado com oxigênio e reutilizado mas devido à dificuldades em controlar o oxigênio o trabalho foi descontinuado O primeiro CCD promissor foi desenvolvido pelo engenheiro soviético SA Basileviskiy antes da Segunda Guerra Mundial O sistema de Basileviskiy ficou conhecido como REDO Regenerativny Edini Dvigatel Osebovo Naznacheniya e foi instalado no submarino S92 em 1938 O protótipo de outro CCD desenvolvido pelo engenheiro AS Kassatsir foi instalado no 5 submarino experimental M401 e lançado em 1941 o submarino realizou 74 cruzeiros no Mar Cáspio incluindo 68 mergulhos e 360 milhas náuticas cerca de 670 km em sua planta de ciclo fechado O trabalho adicional foi temporariamente suspenso devido à guerra mas foi retomado após o fim das hostilidades em Leningrado POLMAR 1991 Nesse mesmo período a Alemanha estava desenvolvendo seu próprio sistema CCD que ficou conhecido como Kreislauf e estava previsto para ser instalado em um submarino da classe XXVIIK entretanto com o fim da guerra o projeto foi interrompido antes mesmo de ser posto em prática DODSON 2020 Por 15 anos após a Segunda Guerra Mundial os soviéticos continuaram o desenvolvimento de motores diesel de ciclo fechado Os dados obtidos a partir dos testes do submarino experimental M401 em conjunto com as informações do sistema Kreislauf alemão formaram uma base para a concepção do Projeto 615 classe Quebec No início da década de 1950 a União Soviética desenvolveu o pequeno submarino do Projeto A615 designado como classe Quebec pela Organização do Tratado do Atlântico Norte OTAN com um deslocamento normal de 406 toneladasFigura 1 Foi concebido com um motor diesel de ciclo fechado o que permitiu aumentar significativamente a permanência e a velocidade quando submerso Foram construídos 30 submarinos em série de acordo com o Projeto 615 entre 1953 a 1957 PROJECT 2020 Figura 1 Submarino do projeto A615 Fonte CHAPTERS 2020 Os submarinos da Classe Quebec foram equipados com dois motores Diesel convencionais para funcionar na superfície Um terceiro motor diesel de ciclo fechado usando oxigênio líquido e gases de escape reciclados operava o submarino quando submerso Isso deu aos submarinos da classe Quebec boa velocidade e alcance De acordo com Sutton 2016 o sistema de oxigênio líquido era a fonte de incêndios frequentes e os submarinos da classe Quebec passaram a ser conhecidos por suas tripulações como Zippo famosa marca de isqueiros Os submarinos foram modernizados no final da década de 1950 como Projeto M615 mas permaneceram suscetíveis a incêndios e não eram seguros 6 O submarino M256 afundou no Báltico em 26 de setembro de 1957 após uma explosão e incêndio no sistema de oxigênio líquido Após a explosão inicial o submarino emergiu e a tripulação evacuou para o convés Apesar dos esforços de combate ao incêndio o fogo se espalhou para um compartimento adjacente Condições meteorológicas muito ruins impediram os navios próximos de prestar ajuda Após quatro horas o submarino perdeu repentinamente a estabilidade e afundou sobrevivendo apenas 7 dos 35 homens PROJECT 2020 Outro submarino da classe o M351 afundou no Mar Negro sem vítimas Os submarinos do Projeto M615 eram comparáveis aos submarinos alemães da classe Type 205 Seus motores diesel AIP estavam cerca de um quarto de século à frente de qualquer projeto ocidental comparável e se a marinha soviética tivesse continuado com o programa eles teriam sido a base de uma frota com capacidades ameaçadoras Por fim esse sistema foi removido dos submarinos e substituído por um terceiro motor a diesel convencional PROJECT 2020 Os esforços de desenvolvimento de submarinos com motores diesel de ciclo fechado foram encerrados pelos soviéticos na década de 1970 e os submarinos do Projeto 615 foram retirados de serviço Eles haviam alcançado um tempo de permanência e alcance submersos muito maiores mas esse sucesso foi anulado pela natureza insegura de seus sistemas AIP O conceito foi abandonado e com ele uma das poucas áreas onde a tecnologia de submarinos soviética estava muito à frente a tecnologia de submarinos ocidentais Após a década de 70 surgiram os sistemas Maritalia que armazenava gases num conjunto de vasos de pressão toroidais o Ciclo Nitro e o ciclo DieselArgônio Figura 2 Figura 2 Esquema simplificado de um sistema CCD Fonte PIWOWARSKI 2013 7 3 SISTEMA DE PROPULSÃO CLOSEDCYCLE DIESEL CCD De acordo com NRP 2016 a tecnologia CCD envolve o armazenamento de oxigênio líquido LOX para operar um motor diesel quando o submarino estiver submerso Para que os motores funcionem com segurança sem serem danificados é necessário simular a concentração de oxigênio do ar atmosférico para isso o oxigênio é misturado a um gás inerte geralmente argônio e em seguida enviado ao motor Ainda segundo NRP 2016 os gases da exaustão são resfriados e limpos para extrair qualquer resíduo de argônio e oxigênio que possam ser reutilizados no ciclo o restante é misturado com água do mar e descarregado no ambiente externo 31 MARITALIA De acordo com Sutton 2015 na década de 1970 um pequena empresa italiana desenvolveu minissubmarinos com motores de ciclo diesel fechado O engenheiro italiano Giunio Santi projetou uma maneira de construir submarinos a partir de tubos soldados como uma série de donuts Embora a forma pareça característica de um submarino o método de construção toroidal permite que cada parte do casco tenha um diâmetro ligeiramente diferente e portanto uma forma de lágrima mais hidrodinâmica Figura 3 Figura 3 Submarino na forma de gota com vasos de pressão toroidais Fonte HEEMSKERK 1990 Ainda de acordo Sutton 2015 os submarinos comuns são construídos com chapas de aço soldadas e dobradas em tubos que são então soldados ou aparafusados ponta a ponta para formar um cilindro Estes tubos em forma toroidal seriam usados para armazenar gás especificamente oxigênio que poderia ser usado para fazer funcionar um motor a diesel mesmo quando o submarino estivesse submerso Além disso a filtragem e armazenamento dos gases de escape 8 no mesmo casco tubular permitiu a verdadeira propulsão independente do ar AIP sem nenhuma emissão de escape Esta construção foi denominada Gaseous Oxygen Stored in the Toroidal pressure hull GST O oxigênio era armazenado a pressões incrivelmente altas 350 atmosferas permitindo que um grande volume de gás fosse transportado o que se traduziu em distâncias impressionantemente longas Conforme Heemskerk 1990 o sistema Maritalia foi instalado durante a década de 1970 em dois minissubmarinos experimentais 120 toneladas e 80 toneladas sendo testado com sucesso na potência máxima a 350 metros de profundidade registrando mais de 23000 horas de operação O projeto do minissubmarino suporta uma profundidade de mergulho de 400 metros e armazenamento de combustível e oxigênio para 100 MWh para um alcance teórico de 4000 milhas náuticas a oito nós A Figura 4 ilustra o submarino LWT 234 que possuía o sistema Maritalia incorporado Figura 4 Submarino LWT 234 Fonte SUTTON 2015 32 CICLO NITRO De acordo com Hawley 1994 uma pesquisa na universidade de Newcastle levou ao desenvolvimento de um ciclo diesel fechado O ciclo ficou conhecido como Ciclo NitroFigura 5 uma vez que o nitrogênio era preservado como fluido de trabalho e o excesso de dióxido de carbono resultante da combustão do óleo diesel era absorvido por um sistema de 9 absorção não regenerativo de hidróxido de potássio KOH Oxigênio era então adicionado numa proporção para possibilitar a combustão de forma semelhante à do ar atmosférico Figura 5 Diagrama Ciclo Nitro Fonte HAWLEY 1994 Posteriormente a água que é abundante no ambiente marinho passou a ser utilizada como o agente absorvedor de CO2 e o ciclo precisou sofrer alterações Como a água é um absorvente bem menos potente do que o KOH não foi possível construir um absorvedor capaz de realizar a completa absorção de CO2 o que reduzia a eficiência do ciclo Para contornar esse problema foi adicionado argônio à mistura de gases e assim surgiu o ciclo DieselArgônio 33 DIESELARGÔNIO Conforme Daniëls 1997 em 1985 os estaleiros Thyssen Nordseewerke TNSW da Alemanhã e Rotterdamsche Droogdok Maatschappij RDM da Holanda participaram do desenvolvimento de um sistema CCD com argônio Figura 6 Entre 1986 e 1989 ambos os países construíram instalações de primeira geração para testes 120 e 150 kW respectivamente e posteriormente duas instalações de segunda geração para testes uma na Carlton Deep Sea Systems CDSS de 580 kW e outra na RDM de 450 kW 10 Figura 6 Diagrama do ciclo DieselArgônio da Thyssen Fonte KOPP 2010 A RDM e a TNSW utilizaram um submarino alemão descomissionado da classe Type 205 o ExU1 Figura 7 para realizar os testes de mar do sistema CCD O ExU1 servia bem para os testes pois já possuía uma seção à mais adicionada para testes com um sistema de células de combustível A instalação CCD foi implementada em um curto espaço de tempo em um pequeno compartimento do submarino Figura 7 Submarino U1 da classe Type 205 Fonte TYPE 2020a O diagrama simplificado do sistema CCD dieselargônio mostrado na Figura 8 ilustra os principais componentes e também os dois principais fluxos de massa o sistema de reciclagem de gás e o sistema de água do mar 11 Figura 8 Diagrama simplificado do sistema CCD DieselArgônio Fonte DANIËLS 1997 Segundo Daniëls 1997 no ciclo de gás os gases de descarga são resfriados injetandose um spray de água Posteriormente os gases passam pelo absorvedor sendo submetidos ao fluxo da água do mar em contracorrente Os componentes do o gás de exaustão se dissolvem na água do mar uma vez que a água do mar admitida não está saturada com esses componentes A solubilidade do dióxido de carbono na água é muito maior do que as solubilidades do nitrogênio e do oxigênio cerca de 50 vezes e 25 vezes respectivamente Então durante a absorção de CO2 pela água do mar apenas uma pequena parte do oxigênio dos gases de exaustão será dissolvida de forma que boa parte do O2 não consumido na combustão pode ser reutilizada DANIËLS 1997 Depois que os gases de exaustão são tratados no absorvedor oxigênio e argônio são adicionados à mistura O oxigênio é necessário para o processo de combustão no motor e o argônio possui a finalidade de aumentar o calor específico da mistura na admissão DANIËLS 1997 Uma alta porcentagem de CO2 na admissão faz com que o calor específico da mistura diminua Isso acarreta em uma pressão e temperatura menores na compressão causando um atraso na ignição Assim a ignição ocorrerá com um gradiente de pressão maior e o rápido aumento da pressão na cabeça do pistão pode fazer toda a caixa de engrenagens do motor vibrar Este fenômeno é chamado de detonação DANIËLS 1997 O argônio por possui um alto calor específico faz com que o calor específico da mistura de admissão seja aumentado Isso permite uma combustão mais silenciosa O argônio deve sempre ser adicionado porque um pouco do argônio é perdido para a água do mar no absorvedor A perda de argônio é de aproximadamente 4 do consumo total e de oxigênio DANIËLS 1997 12 Após a injeção de oxigênio e argônio o gás está de volta à condição de entrada de modo que pode ser usado para a combustão do óleo diesel DANIËLS 1997 Além da versão CCD com injeção de argônio podese escolher usar outros gases como meio circulante mas resultará em uma maior produção de ruído DANIËLS 1997 No ciclo da água a água do mar passa pelo absorvedor e então é bombeada para fora de bordo No absorvedor a água é centrifugada e espalhada através de malhas aumentando a superfície de contato para melhorar a absorção DANIËLS 1997 Para tornar o ciclo independente da profundidade de operação a Cosworth Engineering que posteriormente se tornaria a CDSS desenvolveu um sistema que faz uso inteligente da pressão diferencial entre o interior e o exterior do submarino de modo que apenas a perda de pressão devido à resistência ao fluxo deve ser superada Consiste em três conjuntos de dois cilindros de dupla ação e uma série de válvulas conforme a Figura 9 DANIËLS 1997 Figura 9 Diagrama do ciclo da água Fonte DANIËLS 1997 O absorvedor e toda a tubulação à esquerda das válvulas 1 2 3 e 4 fazem parte do trecho de baixa pressão do sistema pressão do absorvedor A bomba de água do mar e todos os componentes à direita das válvulas 5 6 7 e 8 fazem parte do trecho de alta pressão pressão externa DANIËLS 1997 Se as válvulas 2 e 3 estiverem abertas enquanto as válvulas 1 e 4 estiverem fechadas a bomba de baixa pressão bombeará a água à baixa pressão com CO2 dissolvido do absorvedor através da válvula de controle de baixa pressão e válvula 2 para o topo do cilindro 1 O pistão de movimento livre se move para baixo forçando a água do mar sob o pistão passar pela válvula 13 3 para o absorvedor Ao mesmo tempo a bomba de alta pressão bombeia água do mar através da válvula 8 para a parte de baixo do cilindro 2 A água contendo CO2 acima do pistão do cilindro 2 é bombeada para o mar através da válvula 5 As válvulas são interligadas hidraulicamente e quando as válvulas 2 3 8 e 5 fecham as válvulas 1 4 6 e 7 abrem assim o cilindro 1 se torna uma unidade de alta pressão e o cilindro 2 se torna uma unidade de baixa pressão São utilizados três conjuntos de cilindros na tentativa de se obter um fluxo contínuo de água no absorvedor DANIËLS 1997 Em 1993 durante 2 meses foi realizado um teste bem sucedido com o CCD no submarino U 1 demonstrando a sua viabilidade TYPE 2020b A TNSW passou então a oferecer um kit para retrofit e modernização de submarinos COATES 2014 34 VANTAGENS E DESVANTAGENS A tecnologia CCD oferece uma solução com vantagens tecnológicas e limitações operacionais específicas Daniëls 1997 lista algumas vantagens do sistema CCD Dentre elas podemos destacar Custos relativamente baixos devido a peças comerciais prontas para uso Eficiência 3031 após as perdas do gerador Boa densidade de potência O sistema consiste em peças existentes e portanto facilmente disponíveis Pode ser facilmente adaptado a sistemas já existentes em submarinos Apesar das vantagens listadas acima Bitzinger 2016 cita que as principais limitações do CCD são quatro O CCD requer um módulo adicional para os tanques de argônio e oxigênio e outros componentes que pode influenciar adversamente a manobrabilidade do navio O CCD gera níveis de ruído e calor semelhantes aos motores dieselelétricos regulares que tornaos vulneráveis à detecção por meio de sonar e infravermelho O CCD ejeta gases dissolvidos que podem ser detectados por sensores químicos e O desempenho geral do CCD é semelhante aos motores dieselelétricos convencionais Como limitações Daniëls 1997 cita também que o período de tempo debaixo dágua depende do espaço disponível para armazenamento de oxigênio Além disso uma outra desvantagem do 14 CCD é que além do combustível há também oxigênio líquido e argônio que devem ser armazenados 4 PERSPECTIVAS FUTURAS Segundo Groizeleau 2016 a batalha pelo desenvolvimento dos sistemas AIP mais confiáveis e eficientes está travada entre os principais fabricantes de submarinos Essa tecnologia complexa é a chave para revolucionar a guerra abaixo da superfície dos oceanos Sem alcançar a autonomia ilimitada da propulsão nuclear os sistemas AIP oferecem uma considerável vantagem em termos de discrição uma das principais características de um submarino Ainda segundo Groizeleau 2016 25 dos submarinos encomendados entre 2001 e 2010 são equipados com algum sistema AIP E até 2030 estimase que 95 dos novos projetos irão incorporar um sistema AIP Em 2000 havia apenas uma única marinha equipada com AIP Em 2015 haviam 11 marinhas com AIP e deverão estar equipadas com AIP segundo estimativas de 16 a 28 marinhas em cerca de 15 anos Portanto os sistemas AIP são uma questão crucial para os construtores de submarinos pois são decisivos na batalha pelos pedidos futuros O excomandante de submarino francês Stéphan Meunier cita em entrevista para o portal Mer Et Marine os avanços recentes em baterias elétricas usando a tecnologia de íon de lítio Engenheiros franceses estimam que sem qualquer outra fonte de energia será possível construir em dez anos um submarino capaz de permanecer em imersão por mais de 30 dias sem a necessidade de emergir para recarregar suas bateriasGROIZELEAU 2020 Outra opção promissora conforme descrito por Roux 2018 é a segunda geração de células de combustível que produz hidrogênio diretamente do diesel por meio da transformação do hidrocarboneto Ao se produzir hidrogênio não só simplifica o reabastecimento e o armazenamento mas também torna o submarino mais seguro que a primeira geração que utiliza metanol como combustível Uma revolução no mundo dos submarinos com baterias de íons de lítio e sistemas independentes do ar abre caminho para uma propulsão silenciosa e totalmente elétrica ao mesmo tempo que elimina a necessidade de emersão para recarregar as baterias por meio de geradores a diesel Nesse contexto sem nenhuma pesquisa e desenvolvimento sem haver nenhum submarino que o empregue e sendo ofertado por apenas um fabricante o sistema de ciclo diesel fechado vai ficando ultrapassado 15 5 CONCLUSÃO Analisando a bibliografia exposta neste trabalho observase a importância do submarino para o poder naval desde o seu surgimento Os submarinos vem sendo empregados por todas as grandes marinhas sendo a sua principal vantagem a discrição passando dias ou até meses submerso Devido ao avanço da aviação naval durante a Segunda Guerra Mundial para evitar a detecção pelas aeronaves do inimigo surgiu a necessidade de aumentar o período submerso dos submarinos a diesel convencionais pois estes necessitam subir a superfície a noite para recarregar suas baterias Uma solução seria o submarino com propulsão nuclear que surgiu em 1955 mas com seu alto custo de produção e operação vários países iniciaram pesquisas visando prolongar o tempo submerso através de outras tecnologias até então inexistentes Dentre essas novas tecnologias destacamse os sistemas de propulsão independentes do ar AIP que possibilitaram os submarinos se deslocar e recarregar suas baterias no ambiente subaquático sem a necessidade de acessar o ar atmosférico Detalhouse a tecnologia CCD ClosedCycle Diesel a qual incorpora um motor diesel padrão que pode ser operado mesmo quando submerso envolvendo o funcionamento em uma atmosfera artificial sintetizada a partir de oxigênio líquido LOX armazenado um gás inerte geralmente argônio e produtos da exaustão reciclados Através da revisão da literatura existente podese perceber o avanço tecnológico da União Soviética após a Segunda Guerra Mundial em relação às tecnologias ocidentais no desenvolvimento aplicação e operação de motores diesel de ciclo fechado em submarinos produzindo 30 unidades da classe Quebec Percebese também o avanço tecnológico da Itália que na década de 70 desenvolveu o projeto de submarino CCD com tubos de armazenamento de oxigênio em forma toroidal As vantagens de um sistema de ciclo diesel fechado tais quais o baixo custo componentes de fabricação simples a maturidade e confiabilidade dos motores diesel e a possibilidade de adaptar sistemas já existentes sem muitas alterações são bastante atrativas para as forças navais Entretanto apesar das vantagens de um sistema CCD apenas a TNSW e a RDM na década de 90 se interessaram em desenvolver e oferecer comercialmente a tecnologia E atualmente não há nenhuma previsão de construção ou comercialização de submarinos com esse sistema 16 Podese atribuir essa falta de interesse na tecnologia CCD ao histórico de acidentes que ocorreram com os submarinos soviéticos à ausência de um sistema atualmente em aplicação e ao surgimento de outras tecnologias AIP mais seguras e eficientes como a propulsão Stirling Apesar dos esforços atuais de pesquisa e desenvolvimento estarem concentrados na evolução dos sistemas com células de combustíveis e na utilização de baterias de íons de lítio o sistema de propulsão independente do ar com ciclo diesel fechado se mantém como uma opção viável para os casos em que se deseje uma forma rápida e barata de se modernizar um submarino convencional 17 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Disponível em httpswwwmeretmarinecomfrcontentbatterieslithiumion lavenirdelapropulsiondessousmarins Acesso em 21 nov 2020 HAWLEY J G ASHCROFT S J PATRICK M A Advanced underwater power systems Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Vol 208 Part A Journal of Power and Energy 1994 HEEMSKERK KA AirIndependent Propulsion for Submarines A Canadian Perspective Maritime Engineering Journal 1991 Canadá p 6 a 9 KOPP Carlo Air Independent Propulsion now a necessity Air Power Australia 2010 Disponível em httpwwwausairpowernetSPDTAIPSSKDec2010pdf Acesso em 19 nov 2020 NETO Júlio S M A importância da construção do submarino de propulsão nuclear brasileiro Revista Marítima Brasileira Rio de Janeiro 2º trimestre de 2009 p 4983 NRP Explained How Air Independent Propulsion AIP Works Defencyclopedia 2016 Disponível em httpsdefencyclopediacom20160706explainedhowairindependent propulsionaipworks Acesso em 20 nov 2020 PIWOWARSKI Marian The Analysis of Turbine Propulsion Systems in Nuclear 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