Εγκαταστάσεις 29/09/2017 Εγκαταστάσεις Πρόωσης Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 1. Πρόωσης K-5B Νικόλαος Π. Κυρτάτος

Εγκαταστάσεις 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 1 K-5B Νικόλαος Π. Κυρτάτος 2017-2018 1

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 2 Κεφ. 1. Γενικά / Περιγραφή μαθήματος Κεφ. 2. Εισαγωγή στη Ναυτική Μηχανολογία / Ιστορία Κεφ. 3. Απαιτήσεις πρόωσης / Ναυτικοί κινητήρες Κεφ. 4. Συνεργασία μηχανής / έλικας Κεφ. 5B. Ναυτικοί κινητήρες Diesel Κεφ. 6. Τεχνοοικονομικά / Αξιοπιστία Κεφ. 7. Αξονικό σύστημα 2

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 3 3

Αλλαγή μείγματος, απόπλυση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 4 Για να επιτευχθεί πλήρης καύση απαιτείται πραγματικός λόγος αέρα καύσης (αέρα που παρίσταται στην καύση) λ ν : m m z m min που κυμαίνεται στην πράξη από 1.3 έως 2.2 Ο ολικός λόγος αέρα έχει συνήθως τις εξής τιμές: B m g m m min B 4-Χ: 2-Χ: λ=1.3 2.5 λ=2.5 5 4

Αλλαγή μείγματος, απόπλυση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 5 Πολλές φορές αναφέρεται στη βιβλιογραφία αντί του ολικού λόγου αέρα ο λόγος mg/mb με τις εξής τιμές για συνθήκες περιβάλλοντος κατά ISO 3046/1 και καύσιμο πετρέλαιο Diesel (DMX) σε πλήρες φορτίο: Ταχύστροφοι κινητήρες: 25 : 1 Μεσόστροφοι κινητήρες: 30 42 : 1 Βραδύστροφοι κινητήρες: 40 50 : 1 5

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 6 Εγκαταστάσεις Απόπλυση 4-Χ κινητήρων Στους 4-Χ κινητήρες το καυσαέριο συμπιέζεται και αποβάλλεται κατά τη διάρκεια του άεργου κύκλου με μικρή επικάλυψη των βαλβίδων εισαγωγής εξαγωγής: 6

Απόπλυση 2-Χ κινητήρων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 7 Εγκάρσια απόπλυση CROSS FLOW Υπόλοιπο καυσαερίων 6-12 % Αντιστροφής LOOP FLOW Υπόλοιπο καυσαερίων 6-12 % Ευθεία με βαλβίδες UNI-FLOW Υπόλοιπο καυσαερίων 5-6 % 7

Diesel- Turbocharging/ Υπερπλήρωση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 9 9

Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 10 10

Υπερπλήρωση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 11 Μηχανική υπερπλήρωση χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν και σήμερα χρησιμοποιείται μόνο σε μικρής ισχύος κινητήρες. Στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται στροβιλοϋπερπληρωτής (turbocharger). Αποτελείται: - Από στρόβιλο ο οποίος κινείται από τα καυσέρια - Συμπιεστή σε κοινό άξονα με το στρόβιλο ο οποίος παρέχει αέρα για καύση με αυξημένη πίεση Ως βαθμός υπερπληρώσεως ορίζεται ο λόγος της μέσης πραγματικής πίεσης του υπερπληρωμένου κινητήρα προς την μέση πραγματική πίεση του κινητήρα με φυσική αναπνοή. 11

Υπερπλήρωση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 12 Μετά την συμπίεση του αέρα από τον συμπιεστή, ακολουθεί ψύξη του (aftercooler) ώστε να μειωθεί η πυκνότητα του αέρα (μεγαλύτερη μάζα αέρα εισέρχεται στον κύλινδρο για σταθερό όγκο). Η ψύξη του αέρα επιτρέπεται έως θερμοκρασία τέτοια ώστε να μην συμπυκνώνεται ο υδρατμός που περιέχεται σ αυτόν (π.χ. για πίεση υπερπλήρωσης 2.5 bar, ελάχιστη θερμοκρασία αέρα σχετικής υγρασίας 60 % χωρίς υγροποίηση των υδρατμών που περιέχει είναι η θερμοκρασία των 35 ο C). Τα όρια ψύξης του αέρα υπερπλήρωσης είναι συνήθως μεταξύ 30 και 60 ο C. 12

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 14 Εγκαταστάσεις Υπερπλήρωση Υπερπλήρωση είναι η αύξηση του αέρα καύσης πάνω από την ποσότητα που αντιστοιχεί σε φυσική αναπνοή. Με την υπερπλήρωση αυξάνεται σημαντικά η συγκέντρωση ισχύος και ο β.α. του κινητήρα n n e Pe mh B nn e i m u H,, m, const u v min P m H n n m z m B m e B u i m min v P ~ Αυξάνεται λόγω αύξησης της πυκνότητας του αέρα P e m n n e z i m m H z u i m v m n n min Αυξάνεται γιατί μειώνεται το ποσοστό της Αυξάνει για ισχύος απωλειών θερμοδυναμικούς λόγους 14

Υπερπλήρωση σταθερής πίεσης 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 15 Τα καυσαέρια όλων των κυλίνδρων οδηγούνται σε συλλέκτη όπου εξισώνονται οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες τους. Με τον τρόπο αυτό ο Στρόβιλος δέχεται ροή με σταθερή πίεση και θερμοκρασία. Πλεονεκτήματα - Σταθερή ροή και επομένως υψηλός β.α. του στροβίλου - Υψηλές επιδόσεις σε υψηλά φορτία - Απλός σχεδιασμός αγωγού καυσαερίων Μειονεκτήματα: - Χάνεται μέρος της δυνατότητας έργου των καυσαερίων - Μέτριες επιδόσεις σε χαμηλά φορτία και χαμηλές στροφές - Αργή επιτάχυνση του στροβίλου 15

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 16 Εγκαταστάσεις Υπερπλήρωση κρουστική (παλμών) Τα καυσαέρια οδηγούνται χωριστά στον Στρόβιλο από κάθε ομάδα ενός ή περισσοτέρων κυλίνδρων με τέτοιο τρόπο ώστε να μην χάσουν την κινητική τους ενέργεια. Οι συνθήκες των καυσαερίων διαφέρουν χρονικά και ανάμεσα στις ομάδες αλλά και στην ίδια ομάδα. Πλεονεκτήματα: - Υψηλό ποσό ενέργειας στο στρόβιλο - Καλές επιδόσεις σε χαμηλές στροφές και φορτίο - Γρήγορη επιτάχυνση του στροβίλου Μειονεκτήματα; - Χαμηλότερος β.α. του στροβίλου ο οποίος εργάζεται με μεταβαλλόμενες χρονικά ιδιότητες καυσαερίου. - Αρκετά πολύπλοκο σύστημα αγωγών καυσαερίων. - Πιθανότητα προβλημάτων από την ανάκλαση κυμάτων στους αγωγούς καυσαερίων 16

Υπερπλήρωση 4-Χ κινητήρων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 17 Η υπερπλήρωση 4-Χ κινητήρων είναι σχετικά εύκολο πρόβλημα διότι ελέγχονται και ρυθμίζονται ανεξάρτητα οι χρόνοι ανοίγματος και κλεισίματος των βαλβίδων εισαγωγής και εξαγωγής Με τη χρήση στροβιλοϋπερπληρωτών επιτυγχάνονται τα εξής περίπου αποτελέσματα: - Βαθμός πληρώσεως λ L = 0.85 0.95 - Πίεση υπερπληρώσεως p L = 1.5 3.0 (4.0) bar - Βαθμός υπερπληρώσεως Υ = 1.3 3.6 bar 17

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 18 Εγκαταστάσεις Υπερπλήρωση 2-Χ κινητήρων Η υπερπλήρωση 2-Χ κινητήρων είναι δυσκολότερο πρόβλημα διότι: - Ο χρόνος που διατίθεται για την αλλαγή μίγματος είναι μικρός (60 80 ο Στρ.) - Απαιτείται μεγαλύτερη παροχή αέρα για την επίτευξη ικανοποιητικής απόπλυσης - Η θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του υπερπληρωτή είναι χαμηλότερη λόγω του μεγαλύτερου λόγου αέρα. Τυπικές τιμές: 4-Χ 350 420 ο C 2-X 260 290 ο C - Σε μερικά φορτία και στο ξεκίνημα ο συμπιεστής παρέχει πολύ μικρή ποσότητα αέρα. Στις περιπτώσεις αυτές χρησιμοποιείται φυσητήρας ο οποίος κινείται από ηλεκτροκινητήρα (όταν η πίεση υπερπλήρωσης πέσει κάτω από μία ορισμένη τιμή. Με τη χρήση στροβιλουπερπληρωτών επιτυγχάνονται τα εξής περίπου αποτελέσματα: - Βαθμός πληρώσεως λ L = 0.8 0.88 - Πίεση υπερπληρώσεως p L = 1.4 2.5 bar - Βαθμός υπερπληρώσεως Υ = 1.3 2.3 bar 18

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 19 Εγκαταστάσεις Είσοδος αέρα Είσοδος αέρα Υπερπλήρωση Έξοδος καυσαερίων Είσοδος (προς καμινάδα) καυσαερίων (από κινητήρα) Έξοδος αέρα πληρώσεως προς κινητήρα 19

Υπερπλήρωση-Σημείο Σχεδίασης 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 20 Η χαρακτηριστική της απαιτούμενης πίεσης υπερπλήρωσης συναρτήσει του φορτίου διαφέρει από τη χαρακτηριστική της παρεχόμενης από τον στροβιλοϋπερπληρωτή πίεσης Αυτό σημαίνει ότι Ενας υπερπληρωτής που έχει σχεδιαστεί ώστε να παρέχει την απαιτούμενη πίεση πληρώσεως στο πλήρες φορτίο (100%) θα παρέχει σημαντικά μικρότερη πίεση από την απαιτούμενη σε μερικό φορτίο (π.χ. 50 %). Αν ο σχεδιασμός του υπερπληρωτή είχε γίνει ώστε π.χ. να παρέχει την απαιτούμενη πίεση πληρώσεως στο 50 % του φορτίου, τότε θα παρείχε πολύ μεγαλύτερη πίεση από την ζητούμενη στο πλήρες φορτίο (100 %) Στην περίπτωση αυτή το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με τη μείωση της παροχής καυσαερίων προς το στρόβιλο ενώ ένα μέρος τους οδηγείται επ ευθείας στην ατμόσφαιρα 20

Ναυτικά Καύσιμα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 22 Παραλαβή αργού πετρελαίου από το διυλιστήριο Δεξαμενές κατακάθησης για διαχωρισμό νερού + Έκπλυση αλατιού με φρέσκο νερό Διύλιση Θέρμανση ~ 350 o C Παροχή στην κορυφή στήλης με θερμοκρασιακή διαφορά κορυφής-βάσης Κλάσματα υδρογονανθράκων διαχωρίζονται βάσει σημείου βρασμού Στήλη απόσταξης 22

Καύσιμα Κλασματική απόσταξη αργού πετρελαίου 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 23 23

Ναυτικά Καύσιμα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 24 Από το άνω τμήμα συλλέγονται LPG, νάφθα, κηροζίνη Πιο χαμηλά Ελαφρά και βαρέα κλάσματα πετρελαίου (Εξουδετέρωση ή αφαίρεση θείου κλπ.) Τέλος Κατάλοιπα (long residue) διύλιση κενού Χαμηλές πιέσεις (0.1bar) ~ 300 ο C -400 ο C Κατάλοιπα (short residue) Ασφαλτένια, ψήγματα μετάλλων 24

Ναυτικά Καύσιμα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 25 Μείγματα (blends) short residues + κλάσματα βαρύ πετρέλαιο για μηχανές πλοίων προϊόντα (ελαφρά) μέσω cracking 3 είδη cracking θερμικό, καταλυτικό, hydrocracking Θερμικό: Θέρμανση > 400 ο C 25% Καταλυτικό 75% σε βενζίνη (Cat- fines) Υδρογόνο + υψηλή πίεση 100% (υψηλό κόστος) Βαρύ πετρέλαιο (bunker fuel) από τα υπόλοιπα όλων των παραπάνω διαδικασιών με μείγματα ελαφρότερων προϊόντων Ποσοστά προϊόντων εξαρτώνται από τις τιμές στην αγορά 95% του αργού προϊόντα προς πώληση 5% καύσιμο για την διαδικασία διύλισης 25

Καύσιμα Κλάσματα απόσταξης αργού πετρελαίου 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 26 26

Καύσιμα Τυπικά καύσιμα για Ναυτικούς κινητήρες Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 27 27

Καύσιμα Τυπικά καύσιμα για Ναυτικούς κινητήρες Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 28 28

Κινηματικό Ιξώδες 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 29 Το Ιξώδες αποτελεί μέτρο της αντίστασης στη μεταβολή της κινητικής κατάστασης ενός ρευστού με την εμφάνιση διατμητικών τάσεων μεταξύ επάλληλων στρωμάτων του ρευστού όταν αυτό βρίσκεται σε κίνηση δυναμικό ιξώδες κινηματικό ιξώδες N 2 m Nsec kgm sec kg m 2 2 2 m sec m msec sec m kg 2 msec m kgr sec 3 m 2 6 m 10 1 cst sec 29

Κινηματικό Ιξώδες 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 30 30

χχχχχχχχ 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 31 31

Αριθμός κητανίου Είναι η κατ όγκο περιεκτικότητα μίγματος από τις δύο παρακάτω ουσίες που δίνει την ίδια καθυστέρηση ανάφλεξης με το καύσιμο που ελέγχουμε: 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 32 Κητάνιο (κ-δεκαεξάνιο) α-μέθυλο-ναφθαλίνιο C 16 H 34 C 11 H 10 (C 10 H 7 CH 3 ) απαίτηση χαμηλής πίεσης - θερμοκρασίας (μικρή καθυστέρηση) Αρ. Κητανίου = 100 Ελαφρύ πετρέλαιο: 50 60 απαίτηση υψηλής πίεσης - θερμοκρασίας (μεγάλη καθυστέρηση) Αρ. Κητανίου = 0 Πετρέλαιο Diesel: 45 32

Δείκτης αρωματικότητας (CCAI, Calculated Carbon aromaticity index) Εμπειρική σχέση που συσχετίζει την καθυστέρηση ανάφλεξης των βαρέων καυσίμων με την πυκνότητα και το ιξώδες τους: 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 33 CCAI = ρ-140.7 log log (ν+0.85)-80.6 όπου ρ η πυκνότητα καυσίμου στους 15 o C ν το κινηματικό ιξώδες του καυσίμου στους 50 ο C: Τιμές μεταξύ 800 900 Χαμηλότερη τιμή σημαίνει καλύτερη ποιότητα ανάφλεξης Βαρύ πετρέλαιο: 830 900 33

Kαύσιμα για Ναυτικούς κινητήρες Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 36 MAIN CHANGES UNDER ISO 8217-2005 1. Fuel Grade Classification and Nomination Under ISO 8217-2005 the number of residual fuel grades has been reduced from fifteen to ten. With the viscosity classification of residual fuel grades being measured at 50 C (instead of 100 C as under ISO 8217-1996), the names of the 10 residual fuel grades have been changed as follows under ISO 8217-2005: ISO 8217-1996/ ISO 8217-2005 RMA 10/ RMA 30 RMB 10/ RMB 30 RMC 10/ - RMD 15/ RMD 80 RME 25/ RME 180 RMF 25/ RMF 180 RMG 35 /RMG 380 RMH 35/ RMH 380 RMK 35/ RMK 380 RMH 45/ - RMK 45/ - RML 45/ - RMH 55 /RMH 700 RMK 55/ RMK 700 RML 55/ - 36

ΔΙΚΤΥΟ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 37 37

Προβλήματα βαρέως καυσίμου 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 39 39

Ασυνήθη καύσιμα Σε πλοία LNG το φυσικό αέριο μεταφέρεται υγροποιημένο αφού ψυχθεί στη θερμοκρασία βρασμού (-161 o C). 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 40 Λόγω ύπαρξης θερμικών απωλειών ατμοποιείται ημερησίως περίπου 0.1 % της μεταφερόμενης ποσότητας (boil-off). Το ατμοποιούμενο φυσικό αέριο καίγεται στην εγκατάσταση πρόωσης (λέβητας, αεριοστρόβιλος, κινητήρας Diesel) Κινητήρες Diesel που καίνε φυσικό αέριο ξεκινάνε με πετρέλαιο μόνο, και στη συνέχεια καίνε 5 % πετρέλαιο (μέσο ανάφλεξης) και 95 % φυσικό αέριο επιτυγχάνοντας ισχύ ίση με το 86 % της ονομαστικής τους ισχύος. Το φυσικό αέριο έχει τάση κρουστικής καύσης, επομένως λαμβάνονται ιδιαίτερα μέτρα κατά την καύση φυσικού αερίου (μείωση λόγου συμπίεσης, άνοιγμα αρκετά προ του ΑΝΣ της βαλβίδας εισαγωγής του αερίου, αύξηση της συνολικής παροχής αέρα, καλύτερη ψύξη του χιτωνίου) 40

Χαρακτηριστικά Καυσίμου 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 42 - Αριθμός κητανίου Χαρακτηριστικά αναφλέξεως: εναυση από κρύο, ζέσταμα κινητήρα, βιαιότητα καύσεως, κατάλοιπα σε χαμηλό φορτίο, καπνός στην εξαγωγή - Θερμογόνος δύναμη (κατωτέρα Θ.Δ. στους κινητήρες) - Ιξώδες: ελάχιστη τιµή - Διαρροές αντλίας καυσίµου -Θείο - Σημείο αναφλέξεως στον αέρα (ασφάλεια) - Σημείο ρευστότητας Δίκτυο καυσίμου Μέγιστες πιέσεις πρό εκχυτήρα 40000psi (3000bar) Χρόνος εκχύσεως για υψίστροφες 0.001 sec Ανοχές αντλίας 1.5 µ Διάμετρος οπών εκχυτήρα d~0.13 min 42

Ανάπτυξη φλέβας 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 43 Ανάφλεξη σε περιοχή με σωστό λόγο αέρα καυσίμου και σωστή θερμοκρασία α) Φυσική καθυστέρηση Χημική β) Καύση προετοιμασμένου μείγματος γ) Καύση μέσω διαχύσεως 43

Καύση Το καύσιμο εκτοξεύεται στον κύλινδρο και αυτοαναφλέγεται (αέρας υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 44 55-125 (150) bar p z 40-110 (115) bar p c 1 2 3 φ E E 4 5 1: Έναρξη διασκορπισμού, 5 30 ο Στροφαλοφόρου προ Α.Ν.Σ. Πίεση ανοίγματος διασκορπιστών 200-400 bar (1000 bar) 1 2: Καθυστέρηση ανάφλεξης που εξαρτάται από τα p c, T c και από τον αριθμό κητανίου του καυσίμου (MDO) ή τον δείκτη αρωματικότητας υδρογονανθράκων (CCAI, HFO) 2 3: Πρώτη φάση καύσης με απότομη αύξηση της πίεσης. Ταχύτητα καύσης w m <5 bar / o Στρ για MDO και w m =15 bar / o Στρ για HFO (λόγω μεγαλύτερης καθυστέρησης ανάφλεξης) 3 4: Ελεγχόμενη καύση. Καίγεται το 40-60% του καυσίμου 4 5: Τελευταία φάση της καύσης. Βραδύστροφοι: <10% Α.Ν.Σ. φ V Μεσόστροφοι: 10-25% Ταχύστροφοι 15-35% 44

χχχχχχχχ 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 45 45

Καύση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 46 Τα κύρια συστατικά των συνήθων καυσίμων ναυτικών μηχανών είναι ο άνθρακας (C), το υδρογόνο (Η 2 ), το θείο (S) και το άζωτο (Ν 2 ) ενώ σε πολύ μικρές ποσότητες βρίσκονται ακόμη βανάδιο, αλουμίνιο και άλλα συστατικά. Η κατά μάζα περιεκτικότητα του καυσίμου στα επιμέρους στοχεία συμβολίζεται με τα πεζά γράμματα c,h,s,n αντίστοιχα Ισχύει c+h+s+n =1 46

Καύσιμα Σύνθεση Καυσίμων Ναυτικών Κινητήρων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 47 47

Καύση Ορίζουμε τις παρακάτω ποσότητες οι οποίες παριστάνουν τα γραμμομόρια συστατικού αν χιλιόγραμμο καυσίμου: 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 48 c, h s n c h, s, n M M M M C H S N 2 2 όπου M C, M H2, M S και M N τα μοριακά βάρη των διαφόρων συστατικών. 2 Η χημική αντίδραση για στοιχειομετρική καύση 1 kgr καυσίμου γράφεται: όπου cc hh ss nn O N ν N 2 2 2 st 2 N 2 x x cco hh O sso n N a N a O 2 2 2 2 2 st N 2 h ω st c s 2 2 2 48

Καύση 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 49 Η ελάχιστη ποσότητα αέρα για την καύση ενός χιλιογράμμου καυσίμου δίνεται επομένως από τη σχέση: h h st c 2 s 32 32 ω st c s st c h s 2 32 12 2 32 12 4 kg Ο2/ kg καυσίμου 32 32 / 0.2314 11.5 34.2 4.3 έ 12 4 st mmin c h s c h s kg αέρα / kg καυσίμου 49

Καύση Πραγματική καύση: 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 50 cc hh ss nn O N 2 2 2 N 2 2 n CO n CO n H O n O n H n SO CO 2 CO H O 2 O 2 H 2 SO 2 2 2 2 2 2 n SO n N n NO n NO n C H SO 3 N 2 NO NO 2 C H a b 3 2 2 a b Κατά μάζα σύνθεση πραγματικού ξηρού αέρα: -Ο 2 : 23.14% -Ν 2 : 75.53% - Αr: 1.28% -CO 2 : 0.05% 50

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 51 Εγκαταστάσεις Λειτουργία με βαρύ καύσιμο Κατά τη λειτουργία με βαρύ καύσιμο παρατηρείται αυξημένη ρύπανση και φθορά του κινητήρα. Η ρύπανση οφείλεται: - Σε στερεά υπολείμματα και επικαθίσεις τους που προκαλούν άρπαγμα των ελατηρίων του εμβόλου, επικαθίσεις στους διασκορπιστές και τις θυρίδες (μείωση της διατομής) επικαθίσεις στα έμβολα και τα χιτώνια. - Στις μηχανές με έμβολο-διωστήρα, το λάδι του στροφαλοθαλάμου έρχεται σε επαφή με τα κατώτερα μέρη του χιτωνίου και ρυπαίνεται - Στις μηχανές με βάκτρο, το κάτω τμήμα του εμβόλου είναι απομονωμένο από το στροφαλοθάλαμο και για τη λίπανση του εμβόλου χρησιμοποιείται κυλινδρέλαιο το οποίο καίγεται (καταναλώνεται) στον κύλινδρο. Η φθορά είναι μηχανική και διαβρωτική (χημική): - Μηχανική λόγω σωματιδίων που υπάρχουν στο καύσιμο - Διαβρωτική λόγω σχηματισμού Η 2 SO 4 (ψυχρή διάβρωση) και V 2 O 5 (θερμή) - Επηρεάζονται χιτώνια, έμβολα, ελατήρια, βαλβίδες εξαγωγής, αγωγοί και λέβητες καυσαερίων, σιγαστήρες - Μέτρα προστασίας: Καθαρισμός καυσίμου, απομόνωση στροφαλοθαλάμου από θάλαμο καύσης, ενίσχυση (και επιχρωμίωση) ελατηρίων, χιτωνίων, ψύξη εμβόλων, βαλβίδων εξαγωγής (αποφυγή θερμής διάβρωσης) 51

Διάβρωση λόγω καύσης βαρέως Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 52 Πίεση αέρα στο τέλος συμπίεσης 75-110 bar Μετά την έναυση 100-150 bar Θερμοκρασία καύσης ~ 1800 ο C Θερμοκρασία καυσαερίων 330-370 ο C -2X 380-450 ο C -4X Περίσσεια αέρα λόγω απόπλυσης Βαρύ καύσιμο περιέχει Θείο, Βανάδιο, Νάτριο, Νικέλιο, Σίδηρο Περιβάλλον για διάβρωση υψηλής θερμοκρασίας και επικαθήσεις τέφρας (Πεντοξείδιο βαναδίου) V 2 O 5 σημ.τήξεως 690 ο C (Σουλφίδιο νατρίου) Na 2 SO 3 σημ.τήξεως 880 ο C Επικόλληση της τέφρας σε υγρή μορφή στα μέταλλα διάβρωση Επιπλέον, άκαυστοι υδρογονάνθρακες συνεισφέρουν ως κόλλα σε ανάμειξη κατά την καύση ~300 ο C 52

Διάβρωση λόγω καύσης βαρέως Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 53 53

Κάπνα και σωματίδια V 2 O 5, Na 2 SO 4, CaS 2 O 7 από την καύση,παρασύρονται από τα καυσαέρια και πιθανόν επικάθονται στις επιφάνειες επαφής βαλβίδας + έδρας. 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 54 Οι επιφάνειες παραμορφώνονται όταν η βαλβίδα κλείσει : Ένα µέρος της παραμορφώσεως είναι πλαστικό (δηλ. παραμένει). Έτσι δημιουργείται πιθανότητα διαρροής καυσαερίων κατά την καύση που η διαφορά πιέσεως στην βαλβίδα είναι υψηλή. Το θερμό καυσαέριο αυξάνει τοπικά την θερμοκρασία των επιφανειών και προωθεί Θερμή Διάβρωση δηλ.ταχύτατη οξείδωση. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει έναν δίαυλο οπότε γρήγορα η βαλβίδα καίγεται. Χρήση τοπικά σκληρών υλικών με ελάχιστη πλαστική παραμόρφωση 54

Λιπαντικά λάδια κινητήρων Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 56 Σκοπός της χρήσης λαδιών λίπανσης σε κινητήρες είναι η λίπανση, η ψύξη, ο καθαρισμός, και η προστασία από τη διάβρωση των κινούμενων μερών του κινητήρα. 56

Λιπαντικά λάδια κινητήρων Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 57 Σκοπός της χρήσης λαδιών λίπανσης σε κινητήρες είναι η λίπανση, η ψύξη, ο καθαρισμός, και η προστασία από τη διάβρωση των κινούμενων μερών του κινητήρα. Αυτά επιτυγχάνονται με την προσθήκη κατάλληλων ενεργών ουσιών για κάθε σκοπό. Οι ουσίες αυτές: - Σχηματίζουν επιφανειακό στρώμα στην κρίσιμη περιοχή του πρώτου ελατηρίου του εμβόλου (υψηλές πιέσεις, θερμοκρασίες, χαμηλή ταχύτητα εμβόλου στο ΑΝΣ που δεν ευνοεί υδροδυναμική λίπανση) - Διαλύουν και καθαρίζουν τα υπολείμματα και επομένως εμποδίζουν τον σχηματισμό τους - Ελαττώνουν την εξάρτηση του ιξώδους από τη θερμοκρασία - Προσδίδουν στο λάδι ph=11 έτσι ώστε να εξουδετερώνει τα οξέα. Η ικανότητα του λαδιού να εξουδετερώνει τα οξέα χαρακτηρίζεται με τον TBN (Total Base Number, mg ΚΟΗ ανά gr λαδιού που αντιστοιχεί σε ισοδύναμη ικανότητα όλων των αλκαλίων του λαδιού, 15-80mg KOH/g) Με τη λειτουργία του κινητήρα μειώνεται ο TBN αλλά εξασθενούν και οι υπόλοιπες ιδιότητες του λαδιού επομένως πρέπει σε τακτά χρονικά διαστήματα το λάδι να αλλάζεται. 57

Λιπαντικά 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 58 Λιπαντικά - Ιξώδες, λιπαντικά multi-grade SAE 40 ή 50 [ 10w50] -Συνθήκες λειτουργίας: ψύξη μεταλλικών επιφανειών, δημιουργία υδροδυναμικού στρώματος, μεταφορά προϊόντων καύσεως, μεταφορά τυχόν ρινισμάτων -Πρόσθετα: (Στο βασικό παράγωγο πετρελαίου): Αντί - Οξειδωτικά, Αντί - Διαβρωτικά, Αντί - Αφριστικά Απορρυπαντικά, Διαλυτικά 58

Λιπαντικά λάδια κινητήρων Diesel 2-X με βάκτρο και ζύγωμα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 59 - Αλλαγή λαδιού λίπανσης εδράνων, μετά από 20000-30000 h - Κατανάλωση κυλινδρελαίου 0.8 g/kwh 59

Λιπαντικά λάδια κινητήρων Diesel 2-X με βάκτρο και ζύγωμα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 60 - Αλλαγή λαδιού λίπανσης εδράνων, μετά από 20000-30000 h - Κατανάλωση κυλινδρελαίου 0.8 g/kwh 4-X με διωστήρα-στρόφαλο - Αλλαγή λαδιού λίπανσης εδράνων (βαρύ πετρέλαιο),μετά από 4000-10000 h - Αλλαγή λαδιού λίπανσης εδράνων (ΜDO), μετά από 4000-10000 h - Κατανάλωση κυλινδρελαίου 0, (1.3g/kWh για μεγάλους 4-Χ) Φθορά χιτωνίων Βραδύστροφοι: βαρύ πετρέλαιο RMG-35: 0.15 mm/1000 h βαρύ πετρέλαιο RME-35: 0.03-0.10 mm/1000 h πετρέλαιο Diesel: 0.01-0.05 mm/1000 h Μεσόστροφοι: βαρύ πετρέλαιο RMG-35: 0.01-0.05 mm/1000 h πετρέλαιο Diesel: 0.005-0.05 mm/1000 h Ταχύστροφοι: πετρέλαιο Diesel: 0.008-0.01 mm/1000 h ελαφρύ πετρέλαιο : 0.005-0.006 mm/1000 h 60

Θερμικός ισολογισμός κινητήρα Η ενέργεια που περιέχεται στο καύσιμο μετατρέπεται στις εξής μορφές: 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 63 - Μηχανική ισχύς πέδης: n e =0.48 (0.45-0.53) - Θερμική ισχύς καυσαερίων a= 0.26 (0.22-0.3) - Θερμική ισχύς ψύξεως k= 0.25 (0.24-0.30) - Ισχύς ακτινοβολίας r= 0.01 (0.005-0.015) -Σύνολο 1.00 Η κατανομή του k μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι περίπου η εξής: - Ψύξη χιτωνίων: k1=0.30 k - Ψύξη εμβόλων: k2=0.10 k - Λιπαντικό λάδι: k3=0.05 k - Ψύξη αέρα υπερπλήρωσης: k4=0.55 k 63

Θερμικός ισολογισμός κινητήρα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 64 Διάγραμμα θερμικού ισολογισμού 64

Θερμικός ισολογισμός κινητήρα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 65 65

Θερμικός ισολογισμός κινητήρα 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 66 66

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 67 Εγκαταστάσεις Σύστημα προσαγωγής αέρα Οι κινητήρες Diesel αναρροφούν αέρα από τον χώρο του μηχανοστασίου. Η απαιτούμενη παροχή για όλους τους κινητήρες του μηχανοστασίου είναι: m m P b m g L e e g m B Η παροχή αέρα πρέπει να προσαυξάνεται για την απαγωγή της θερμότητας που οφείλεται στις απώλειες ακτινοβολίας. Συνήθως 2 ή 3 m L Eνδεικτική τιμή για βαρύ καύσιμο 20 m 3 /kwh Αναρροφήσεις με κατάλληλες διατάξεις ώστε να εμποδίζεται η είσοδος του θαλασσινού νερού και φίλτρα για μεγάλα αντικείμενα ή σκόνη (ρύπανση των φίλτρων αέρα των κινητήρων Diesel). Ο αέρας κατευθύνεται προς τις αναρροφήσεις των κινητήρων και προς σημεία που απαιτούν ψύξη ή αερισμό (π.χ. θέσεις προσωπικού). 67

Σύστημα απαγωγής καυσαερίων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 68 Για τον υπολογισμό των διαστάσεων των αγωγών καυσαερίων απαιτούνται δύο στοιχεία, η παροχή και η θερμοκρασία των καυσαερίων. Τα στοιχεία αυτά δίδονται συνήθως ως συνάρτηση του φορτίου από τον κατασκευαστή. Ελλείψει στοιχείων τέτοιων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι παρακάτω σχέσεις: Η παροχή καυσαερίων: m m m K g B Η θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του στροβιλουπερπληρωτή μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση. m g m t0 B Diesel am H B u m K tkd 0 m m c t t a m H g B p KD B u t KD Ha 1 c m B u t 0 m g p 68

Σύστημα απαγωγής καυσαερίων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 69 t KD Ha u t 0 m g m B 1 c p c p c c p1 p2 2 69

Σύστημα απαγωγής καυσαερίων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 70 m V 0 1.29 kg V v A m 3 70

Σύστημα απαγωγής καυσαερίων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 71 Αγωγοί καυσαερίων κατασκευασμένοι από χάλυβα υψηλής αντοχής στη θερμοκρασία. Τοποθέτηση συνδέσμου (expansion bellows) για την απορρόφηση των θερμικών διαστολών Τοποθέτηση διάταξης συγκράτησης πυρακτωμένων σωματιδίων (spark arrestor) Τοποθέτηση σιγαστήρα 71

29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 72 Εγκαταστάσεις Λέβητας καυσαερίων Γενικά - Εναλλάκτης θερμότητας ο οποίος μεταφέρει μέρος της υπολειπόμενης μετά τον υπερπληρωτή ενέργειας του καυσαερίου σε νερό και υδρατμό. - Ο παραγόμενος ατμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για θερμαντικούς σκοπούς είτε σε στροβιλογεννήτρια για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος - Με χρήση στροβιλογεννήτριας είναι πολλές φορές δυνατή η κάλυψη των εν πλω αναγκών του πλοίου σε ηλεκτρική ισχύ κατά την κανονική πορεία. Περιορισμοί - Στα προϊόντα καύσης περιέχεται θειϊκό οξύ του οποίου η θερμοκρασία συμπυκνώσεως είναι 140 ο C. Επομένως σκόπιμο είναι η κατώτερη θερμοκρασία στην έξοδο του εναλλάκτη να είναι μεγαλύτερη των 160 o C για να αποφεύγεται η διάβρωση των τμημάτων χαμηλής θερμοκρασίας του λέβητα. - Σημαντικό στοιχείο αποτελεί η θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων από τον στροβιλουπερπληρωτή. Όσο υψηλότερη, τόσο μεγαλύτερο το ποσοστό της αξιοποιούμενης ενέργειας. Αποτελεσματικότητα εφαρμογής Παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς ως ποσοστό ισχύος καυσίμου 2-Χ κινητήρας Diesel 1.7-2.7 % 4-X κινητήρας Diesel 3.4-5.0 % 72

Λέβητας καυσαερίων 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 73 a=25-30% 73

Συστήματα ψύξεως Η Ψύξη των κινητήρων Diesel είναι απαραίτητη για τους παρακάτω λόγους: 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 74 - Μείωση της θερμοκρασίας των διαφόρων μερών του κινητήρα, ώστε οι αναπτυσσόμενες τάσεις να μην ξεπερνούν τις επιτρεπόμενες για κάθε υλικό - Διατήρηση κατά το δυνατόν ομοιόμορφης διανομής θερμοκρασιών ώστε να μειώνονται οι θερμικές τάσεις - Περιορισμός των θερμοκρασιών ώστε να αποφεύγεται η ψυχρή και θερμή διάβρωση - Περιορισμός της επιφανειακής θερμοκρασίας των λιπαινόμενων μερών που ολισθαίνουν το ένα πάνω στο άλλο ώστε να μη μειώνεται πολύ το ιξώδες του εργαζόμενου λιπαντικού - Επίτευξη καλύτερου βαθμού πληρώσεως με ψύξη και αύξηση της πυκνότητας του αέρα πληρώσεως 74

Συστήματα ψύξεως 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 75 Ψύξη χιτωνίων Ψύξη εμβόλων Ψύξη ελαίου λιπάνσεως Ψύξη αέρα υπερπλήρωσης 75

Συστήματα ψύξεως 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 76 76

Συστήματα ψύξεως m c ΔT m c ΔT Θ1 pθ Θ x px x 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 79 θαλ. νερό 3 200 m /h o 32 C o 46.2 C ΛΑΔΙ ΛΙΠΑΝΣΗΣ ΨΥΓΕΙΟ ΛΑΔΙΟΥ ΛΙΠ. o 40 C o 33.3 C m c ΔT m c ΔT Θ pθ Θ Λ pλ Λ ΨΥΓΕΙΟ ΑΕΡΑ ΚΑΥΣΗΣ o 155 C ΑΕΡΑΣ ΚΑΥΣΗΣ o 45 C Α o 41.6 C 3 143.7 m /h 3 56.3 m /h ΝΕΡΟ ΨΥΞΕΩΣ ΧΙΤΩΝΙΩΝ m x o 85 C ΨΥΓΕΙΟ ΝΕΡΟΥ ΨΥΞΕΩΣ ΧΙΤΩΝΙΩΝ ΨΥΓΕΙΟ ΝΕΡΟΥ ΨΥΞΕΩΣ ΕΜΒΟΛΩΝ me o 81.7 C o 68 C o 55 C o 50 C o 50 C ΝΕΡΟ ΨΥΞΕΩΣ ΕΜΒΟΛΩΝ 79

Συστήματα ψύξεως 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 80 Με αυλούς απλής διαδρομής ` 80

Αξιοποίηση νερού ψύξεως χιτωνίων σε αποστακτήρα υποθλίψεως 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 81 81

Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 82 100000BHP 82

Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 83 83

Ρύποι από κινητήρες Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 85 Στοιχειομετρική καύση y 2 3.76 y xc yh zn ws x O N2 xco2 H2O 3.76 x y z N2 ws 4 2 4 2 Ατελής καύση y xc yh zn ws x O2 3.76N2 aco 2 bh 2O co2 dn2 es Ρυποι 4 Ρύποι CO NO x SO x HC PAH PAN Soot 85

Ρύποι από κινητήρες Diesel Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) - Υδρογονάνθρακες (ΗC) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 86 Προϊόντα ατελούς καύσης πυρόλυσης λόγω μη πλήρους ομογενοποίησης του μείγματος στον θάλαμο καύσης (Θύλακες πτωχού και πλουσίου μείγματος) Χαμηλά φορτία Ελαφρείς HC (μεθάνιο, φορμαλδεύδη κλπ) Υψηλά φορτία CO, Βαρείς HC (PAH, PAN, φουράνια, διοξίνες) 86

Ρύποι από κινητήρες Diesel Δημιουργία ΝΟx 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 87 NOx = NO + NO2 Κύριος μηχανισμός σχηματισμού NOx σε κινητήρες Diesel Ν 2 + Ο ΝΟ + Ν (1) Ν + Ο 2 ΝΟ + Ο (2) Ν + ΟΗ ΝΟ + Η (3) ΝΟ2 προϊόν περαιτέρω οξείδωσης του ΝΟ Παράγοντες που επιδρούν θετικά στον σχηματισμό ΝΟx Υψηλή θερμοκρασία (μεγάλη ενέργεια ενεργοποίησης ενδόθερμης αντίδρασης) Στοιχειομετρία Χρονική κλίμακα καύσης (διαθέσιμος χρόνος) 87

Ρύποι από κινητήρες Diesel Οξείδια του Αζώτου (ΝΟx) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 88 Αναλογία [ΝΟ2]/[ΝΟ] ~ 0.01-0.30 αποτελεί συνάρτηση του είδους του κινητήρα και της στοιχειομετρίας 88

Definitions NOx Nitrogen Oxides 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 89 Nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) are referred as nitrogen oxides (NOx) Environmental Impact Acid rain acidification Over-fertilization of lakes and soil Ozone/smog formation in lower atmosphere, especially in urban areas potential damage on vegetation and human health Small size particulates formation part of NOx is forming nitrates 89

NOx Nitrogen Oxides Diesel process 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 90 NOx emissions relatively high due to high local combustion temperatures NOx formation is thermal, main nitrogen source is combustion air NOx formation has strong temperature influence i.e. high temperature results in high NOx formation NOx formation process extremely complex (includes hundreds of different chemical reactions) Typical NO in NOx 95% Typical NO2 in NOx is 5% 90

NOx Nitrogen Oxides Legislation 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 91 IMO EU EPA Current: function of rated speed (n): for n < 130 rpm, NOx = 17g/kWh for 130 n < 2000 rpm, NOx = 45n -0.2 g/kwh for n 2000 rpm, NOx = 9.8 g/kwh Possible future reduction?: Tier II - 10 ~ 30% by 2010; Tier III = 50 ~ 80% by 2015 Current: as IMO plus other 'local' more restrictive regulations (e.g. Rhine, Bodensee) 2006-2008 Tier IIIA = 7.2 to 11 g/kwh NOx + HC depending on engine size upto 30 lt/cyl IMO limits above 30 litres/cyl. Current: Tier 2: 7.2 to 11.0 NOx + THC g/kwh depending on engine size and category (IMO limit for Cat. 3 engines) until 2011. Possible future reductions?: 80 ~ 90% by 2015 91

NOx Nitrogen Oxides 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 92 Abatement Technologies Dry low-nox Technologies Wet low-nox Technologies SCR - Selective Catalytic Reduction EGR - Exhaust Gas Recirculation Fuel Additives Non Thermal Plasma Technology 92

Inlet air humidification system NOx Nitrogen Oxides EGR System 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 93 4 2 1 3 6 8 7 5 SCR System 93

Ρύποι από κινητήρες Diesel Οξείδια του Θείου (SΟx) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 94 SOx = SO2 + SO3 Αναλογία [SΟ3]/[SΟ2] ~ 0.05 αναλόγως πίεσης, θερμοκρασίας και περιεκτικότητας καυσαερίου σε θείο Εμπειρικές σχέσεις υπολογισμού εκπομπής οξειδίων θείου από μηχανές Diesel SO2 (kg/ton) = 21 S(% κ.β.) SO2 (kg/ton) = 21.9 S(% κ.β.)-2.1 αργόστροφες μεσόστροφες 94

Definition SOx Sulphur Oxides 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 95 Sulphur dioxide (SO 2 ) and sulphur trioxide (SO 3 ) referred to as Sulphur oxides (SOx) Environmental Impact Acid rain acidification Small size particulates formation part of SOx is forming SO 3 and sulphates condensing to particulates Detrimental effect on vegetation, human health and buildings 95

SOx Sulphur Oxides Diesel process 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 96 All sulphur entering combustion chamber is oxidized forming SOx (SOx directly proportional to fuel sulphur content and fuel consumption) SOx emissions are lowest when comparing operation for same fuel quality, due to superior fuel efficiency of diesel process among prime movers Typical SO2 in SOx is 95% Typical SO3 in SOx is 5% 96

Legislation SOx Sulphur Oxides 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 97 IMO EU EPA Current: 4.5% S fuel Global cap with 1.5% S fuel limit when in SOx Emissions Controlled Areas (SECAs) Possible future reductions?: 1.0% S fuel by 2010, 0.5% S fuel by 2015 or use of alternative mechanisms to achieve equivalent emissions Current: 1.5% max. Sulphur fuel for all EU passenger ferries & cruise ships plus 0.2% S fuel limit in port & territorial waters Possible future reductions?: 0.1% S fuel in port & territorial waters by 2010 Current: As per IMO for Cat 3 and ocean going vessels - 500ppm limit on sulphur in distillate marine fuels Possible future reductions?: 15 ppm limit on sulphur in distillate marine fuels by 2012 97

Εγκαταστάσεις SOx Sulphur Oxides SOx Emissions Controlled Areas (SECAs) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 98 98

SOx Sulphur Oxides 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 99 Manmade SOx ~10% of Volcanic Ships SOx ~4% of Manmade 99

SOx Sulphur Oxides Abatement Technologies 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 100 Switch to low sulphur fuel Operation on low sulphur residual fuel or distillate fuel or natural gas (LNG) Sea Water Scrubber Reduces SOx by dissolving it and neutralizing it in salt water Caustic soda scrubber Reduces SOx in a closed loop system with fresh water, to which Sodium Hydroxide (NaOH) is added for the neutralization of SOx Handling NaOH Onboard 100

Ρύποι από κινητήρες Diesel Σωματίδια (Particulate Matter, PM) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 101 Mείγμα οργανικών και ανοργάνων χημικών ενώσεων, ευρισκόμενες σε μορφή σωματιδίων (στερεή κατάσταση) Αιθάλη (άμορφος άνθρακας - soot) Tέφρα (ανόργανες ουσίες, κατάλοιπα καύσεως - ash) Oργανικές ενώσεις (σε στερεά μορφή) Διαχωρισμός βάσει μέσου μεγέθους σωματιδίων (PM 2.5, PM 10, κλπ) 101

Particulate Matter (PM) and Smoke Definitions Diesel particulate matter (PM) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 102 Complex mixture of solid carbonaceous material, unburned hydrocarbons and inorganic compounds. Strongly depends on temperature, cooling rate, residence time in sampling devices Particulate emissions (PM) are defined by the measurement method Methods are based on measuring particles various properties at different temperatures and pressures. Measurement results differ between methods Emission regulations based on different measurement methods By definition Smoke is visible (white, grey, blue, black, brown and yellow) 102

Particulate Matter (PM) and Smoke Environmental Impact 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 103 Small particles considered detrimental to human health - Considered to penetrate into human lung Large particles are of less concern since removed by pulmonary system Fine particulates are easily transported by air currents - detrimental effects encountered at far distance from exhaust plume Visual impact smoke 103

Particulate Matter (PM) and Smoke Diesel process 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 104 Soot produced during incomplete combustion. Ash originates from fuel and lube oil (additives, impurities), engine wear and corrosion products All liquid & gas fuel operated combustion processes generate small size particulates Majority of particulate data available from automotive engines operating on ultra-low-sulphur-fuel qualities. Very few data available from marine diesel engines 104

Particulate Matter (PM) and Smoke Legislation 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 105 IMO EU EPA Current: No limits Future: Proposals under review - possible inclusion in Tier II 2010 but limit as yet unspecified Current: - Some 'local regulations (e.g. River Rhine and Bodensee) - Tier IIIA = 0.2 to 0.5 g/kwh depending on engine size Particulates defined according to the ISO 8178 measurement method Current: - Tier II = 0.2 to 0.5 g/kwh depending on engine size Particulates defined according to the ISO 8178 measurement method 105

Particulate Matter (PM) and Smoke Abatement Technologies 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 106 Primary technologies Combination of Increased fuel injection pressure and advanced fuel injection timing, Increased boost pressure, Optimized combustion chamber for swirl/squish, Split injection/multiple injection (post injection), Electronic & Common Rail FIE, Variable valve timing, Variable turbine area, Residual fuel operation. Water-in-Fuel Emulsions Scrubber Technology Non Thermal Plasma Technology Particulate Traps and Oxidation Catalysts Bag Filters and Electrical Precipitators Fuel Additives 106

Ρύποι από κινητήρες Diesel Κατά μάζα Ισολογισμός Καυσαερίων (Ναυτικός Κινητήρας Diesel) 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 107 Αέρας Καύσιμο 7.8 kg/kwh 171 g/kwh Λιπαντικό 1.3 g/kwh έλαιο Καυσαέριο 8.0 kg/kwh Αναλυτικά: Ν 2 Ο 2 1.1 kg/kwh 6.2 kg/kwh CO 2 0.5 kg/kwh H 2 O 0.2 kg/kwh NO x 17.0 g/kwh SΟ x 13.6 g/kwh CO 0.4 g/kwh HC 0.4 g/kwh Αιθάλη 0.6 g/kwh Τέφρα 107

Ρύποι από κινητήρες Diesel Παραγωγή καυσαερίων ανά τόνο καυσίμου 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 108 108

Ρύποι από κινητήρες Diesel Βιοσυσσώρευση (bioaccumulation) Η συσσώρευση χημικών ουσιών στα κύτταρα ή τους ιστούς ενός οργανισμού. 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 109 Βιολογική μεγέθυνση (bioamplification ή biomagnification): Η διαδικασία κατά την οποία τοξικές ουσίες μεταφέρονται μεταξύ οργανισμών μέσω της τροφικής αλυσίδας. 109

Ρύποι από κινητήρες Diesel 29/09/2017 Εγκαταστάσεις 2017-2018 Νικόλαος Π. Κυρτάτος Page 110 SΟx limit: 6 g/kwh 110