Índice
1. Introducción
La Lubricación por Aire es una técnica innovadora que se ha convertido en una de las principales soluciones para reducir la fricción y resistencia al avance en los buques de gran tamaño. Esta técnica utiliza un sistema de aire comprimido para crear una capa de aire entre el casco del barco y el agua, lo que reduce significativamente la resistencia y mejora la eficiencia energética del buque.
En este artículo, exploraremos en detalle cómo funciona la lubricación por aire (o colchón de aire), sus beneficios y desventajas, y cómo se está utilizando en la industria marítima actualmente.
1.1 Fricción y Resistencia al Avance
Estos fluidos generan fuerzas hidrodinámicas y aerodinámicas que se contrarrestan mutuamente, creando una resistencia al movimiento conocida como arrastre.
La resistencia total R que experimenta el barco se compone de la suma de dos componentes:
- Resistencia aerodinámica RA
- Resistencia hidrodinámica RH.
Esta última a su vez se compone de la resistencia por fricción RF y la presión RP, que a su vez se divide en resistencia por oleaje RW y resistencia por presión viscosa RVP.
Para tratar de estudiar la Resistencia al Avance, se desarrollaron dos hipótesis para su cálculo, ya que desarrollar una forma lo suficientemente precisa para obtener el factor de esta resistencia es realmente complejo:
- Hipótesis de Froude
- Hipótesis de Hughes
Del desarrollo de estas hipótesis se obtiene la siguiente fórmula:
De esta manera, la fórmula para calcular la resistencia total de un barco en movimiento a través del agua es:
2. Experimentos y Estudios Precursores de la Lubricación por Capa de Aire
Los primeros experimentos de reducción de la resistencia al avance con microburbujas fueron realizados por McCormick y Bhattacharyab, pioneros que investigaron como reducir la fricción viscosa (Rvp) en un cuerpo de revolución completamente sumergido cubierto con burbujas de hidrógeno generadas por electrólisis.
Experimento de los profesores McCormick y Bhattacharyya (1973)
El experimento consistía en sumergir un cuerpo de revolución en el interior de un canal de ensayos hidrodinámicos a una velocidad dada. Este cuerpo contaba con una envoltura de cable de cobre, que por medio de la hidrólisis del agua, genera microburbujas de manera constante.
Figura 3. Esquema del Diagrama del Experimento de Microburbujas de Hidrógeno
(McCormick y Bhattacharyya)
Los resultados reportados mostraron que la cantidad de reducción de la fricción depende de la velocidad y tasa de la producción de burbujas de hidrógeno. La inyección de un flujo laminar de burbujas rodeando a un cuerpo sólido sumergido, reducía la resistencia al avance (reducción de la fricción viscosa de un 30%).
Investigación Numérica de Madavan (1985)
En 1985, Madavan llevó a cabo una investigación numérica para estudiar la interacción de las microburbujas con las estructuras de la capa límite con el fin de aclarar el mecanismo detrás de la reducción del arrastre. En su estudio, se encontró que la presencia de las microburbujas altera la viscosidad y densidad efectivas locales dentro de la capa límite.
Además, se observó una fuerte dependencia entre la reducción de la fricción y la concentración volumétrica de las microburbujas dentro de la subcapa de amortiguamiento.
Experimento de Charles L. Merkle y Steven Deutsch (1989)
En 1989, Merkle y Deutsch lograron una reducción de la fricción del 80% al combinar los efectos de los polímeros con las microburbujas. Sin embargo, durante las pruebas, se concluyó que la inyección de microburbujas resultaba inefectiva en condiciones de baja velocidad debido a la flotación de las burbujas.
Este experimento demostró la relación significativa entre la reducción de la fricción y la concentración y el diámetro de las microburbujas.
Patente de Ramón García Ferreiro (1999)
En 1999, el profesor de la Escuela de Náutica y Máquinas Ramón García Ferreiro, presentaba una solicitud de patente de una publicación denominada «Buque de colchón neumático«.
Descripción de la patente:
La presente invención se refiere a la inyección o alimentación de aire de la atmósfera hacia una concavidad debajo de la quilla del buque según se muestra en la figura 1, el cual es aspirado por (1) e impulsado por un compresor (2) hasta la zona de inyección o alimentación (3) creando un colchón neumático (4) ubicado en la quilla, formado por una capa aislante de aire que sirve de asiento del buque en el agua.
Para conocer más los detalles de la patente haz clic aquí
Figuras de la Patente ES 2 187 229 A1
Experimento de Moriguchi y Kato (2002)
En 2002, Moriguchi y Kato intentaron determinar la influencia del diámetro de las microburbujas en la reducción de la fricción. Sin embargo, sus resultados sugieren que no hay influencia del tamaño de la burbuja en el fenómeno. Es necesario realizar más experimentos para validar esta conclusión, ya que contradice otros resultados obtenidos en estudios anteriores.
En el siguiente experimento (Fig. 4), se dispone en un túnel de recirculación una pieza sometida a una inyección de aire a través de una placa porosa. Empleando unos medidores laser, se mide la dispersión de las microburbujas y se analiza la velocidad del flujo.
Figura 4. Esquema del Experimento de Moriguchi y Kato
Tras el experimento se verificó que, en mediciones tomadas cerca de la superficie del casco, la velocidad disminuía. Este descubrimiento es importante porque indica que el perfil de velocidades se vuelve menos abrupto, lo que a su vez disminuye la tensión de la viscosidad, que está directamente relacionada con la forma del perfil de velocidades
Estudios de Alberto Aliseda y Juan Carlos Lashera (2005)
En 2005, Aliseda y Lashera estudiaron el transporte de microburbujas en una capa límite turbulenta. Analizaron cómo las microburbujas interactúan con las estructuras turbulentas de la capa límite y cómo se distribuyen en el campo de velocidad. También examinaron cómo las microburbujas afectan la viscosidad efectiva de la capa límite y cómo esto puede influir en la reducción del arrastre en superficies sumergidas. Los resultados de su estudio proporcionaron una comprensión más profunda de la dinámica de las microburbujas en la capa límite turbulenta y su potencial para reducir la fricción en superficies sumergidas.
Como ejemplo de uno de los estudios realizados por Aleberto Aliseda y Juan Carlos Lashera, explicaremos el siguiente experimento (Fig 5) para determinar como reducir el tamaño de las burbujas para analizar su efecto sobre la viscosidad efectiva de la capa límite.
Para este experimento es necesario inyectar una gran cantidad de burbujas con un diámetro promedio de Sauter d32 ≈200 μm, ya que solo así se puede obtener una fracción de volumen lo suficientemente significativa para el estudio. Se instala un inyector de aluminio con una cavidad longitudinal mecanizada a lo largo de su borde de ataque.
La cavidad se cierra con una placa porosa a través de la cual se suministra aire comprimido desde el lateral del hidroala.
Para reducir aún más el tamaño de la burbuja, se dirigen microchorros de etanol a la placa porosa a lo largo del borde de ataque del hidroala, de modo que el ángulo de contacto de las burbujas se incremente, lo que facilita su desprendimiento de la placa.
Figura 5. Boceto del generador de burbujas y del mecanismo de reducción de diámetro
3.Métodos de Lubricación por Aire
La lubricación por aire para reducir la resistencia del casco, funciona sobre el principio que planteamos en el primer punto del artículo, que la resistencia por fricción de la superficie es proporcional a la obra viva del buque (superficie mojada del casco). Para llevar a cabo la reducción de esta fricción con la de lubricación por aire, tenemos 3 métodos:
- Método 1. Capa o Colchón de Aire (ALS)
- Método 2. Cámaras de Aire (ACS)
- Método 3. Pintura Hidrofóbica
3.1 Método de Capa o Colchón de Aire (ALS)
Para generar una capa de lubricación por aire efectiva, debemos inyectar el aire a una velocidad constante para formar una capa de burbujas, lo que reduce el arrastre y la resistencia entre el barco y el agua de mar.
Sin embargo, la eficacia de este sistema depende de los siguientes factores principales:
- Tamaño de la burbuja.
- Ubicación de eyectores de burbujas/aire
- Configuración del inyector.
- La distribución de burbujas de aire por la superficie del casco es un parámetro importante para reducir la resistencia que actúa sobre el casco.
Figura 6. Esquema de Lubricación por Capa de Aire
La capa de aire se forma inyectando microburbujas de un diámetro inferior a 1 mm, pero más grandes que un micrómetro. En esta técnica, se inyectan pequeñas microburbujas en la capa límite turbulenta que se desarrolla en el área de la superficie húmeda. Sin embargo, su aplicación se limita a los barcos de grandes dimensiones, como los petroleros, ya que son muy grandes, de fondo plano y de movimiento lento.
En la sección delantera del casco se generan múltiples capas de pequeñas burbujas que deben ser direccionadas adecuadamente para que fluyan por debajo del barco y disminuyan la resistencia al arrastre.
Para poder generar y mantener la capa de burbujas de aire, se requiere de ciertos sistemas auxiliares y modificaciones (Fig 7.1.), así como de una fuente de presión de aire, cuya energía está contemplada dentro del cálculo de reducción de la resistencia al arrastre (reducción de la fricción al avance) en torno a un 20% aunque sistemas patentados como los de DK Group afirman entre un 5% y un 10%.
Disponemos, (tomando como ejemplo la figura 7.2.) de dos pares de cajas de distribución: una en el lado de babor y otra en el lado de estribor están conectadas simétricamente a una sub-línea de suministro. Las cajas están equipadas con protección contra la corrosión (ánodos de zinc).
Figura 7.1 Esquema del sistema de lubricación por aire (ALS)
Figura 7.2 Esquema real del sistema de Lubricación por Aire
El sistema ALS puede aplicarse en la etapa de diseño y construirse en un nuevo buque, así como instalarse en el buque ya operativo. La introducción de ALS en un buque en operación es un proceso complicado y requiere análisis exhaustivos, cálculos, mediciones y, con mayor frecuencia, simulaciones por ordenador.
Hay varias empresas especializadas en el diseño e instalación de ALS, y cada empresa llama a este sistema bajo su denominación de marca, por ejemplo:
- Mitsubishi Co. – Sistema de Lubricación de Aire de Mitsubishi (MALS)
- R&D Engineering – Sistema de Tubo de Inducción de Aire con Alas (WAIP)
- Samsung Heavy Industries – Sistema SAVER (SAVER Air)
- Silverstream – Sistema Silverstream
- Foreship – Sistema de Lubricación de Aire de Foreship (Foreship ALS)
Para tener una idea de la eficacia de este sistema, ponemos un ejemplo real de estudio.
El buque petrolero quimiquero MT Amalienborg después de instalar un sistema ASL de Silverstream, se registraron muchos parámetros de operación cuando ALS estaba encendido y apagado, entre otros:
- Parámetros de operación del sistema de propulsión y velocidad del buque (en agua y GPS),
- Consumo de energía por los sopladores de aire
- RPM del motor principal
- Potencia del eje (torque)
- Consumo de combustible por los motores principales.
- Condiciones climáticas (condiciones hidrometeorológicas).
En el siguiente gráfico podemos ver la comparativa entre tener el sistema ALS activo y apagado,(fig. 8)
Figura 8. Gráfico Potencia / Velocidad del sistema ALS On/Off
Este gráfico muestra el impacto de operación del sistema ALS (Silverstream) instalado en el buque MT Amalienborg tomando parámetros en los cambios de potencia de propulsión (potencia del eje) y la velocidad del buque.
El curso de los parámetros presentados en este diagrama muestra que, manteniendo una velocidad constante del motor principal, la activación del sistema ALS provoca una disminución en la demanda de potencia de propulsión y no afecta significativamente la velocidad del buque, además la parte inferior del diagrama muestra el consumo de energía por los sopladores ALS.
3.2 Método de Cámaras de Aire (ACS)
El Método de Cámaras de Aire, en inglés Air Cavity System (ACS), consiste en la implementación de una o varias cavidades de aire a lo largo del buque que son llenadas con un flujo constante de aire. Este proceso reducirá la superficie sumergida, lo que se conoce como «superficie mojada», y, por consiguiente, disminuirá la resistencia al arrastre. Se denomina a esta técnica «lubricación de cámaras de cavidad de aire». Se recomienda el uso de esta técnica en barcos que poseen una amplia superficie plana en su casco, lo que permite la instalación de grandes cámaras de aire.
Figura 9. Esquema de Lubricación por Cavidades de Aire
A diferencia del sistema anterior, el sistema ACS solo puede implementarse en la fase de diseño para buques de nueva construcción, ya que las cavidades forman parte de la forma y línea del casco, no son sistemas o tanques que puedan instalarse.
Las cavidades de la parte inferior del casco están diseñadas para reducir la superficie mojada de la nave y así reducir la resistencia al avance.
La mejora en la reducción contra el arrastre, es decir la resistencia al avance por fricción, se encuentra en una eficiencia del 5-15% (tomando como muestra los datos del buque de estudio (ACS Demostrator)
Figura 10. Esquema del Sistema Simplificado de Lubricación por Cavidades de Aire
3.3 Método de Pinturas Repelentes de Agua
Las pinturas repelentes de agua o hidrofóbicas, en realidad no son un método de lubricación de aire directa, pero si reacciona directamente con la capa límite que se forma entre el casco y el agua alrededor del barco.
El objetivo de este método es evitar la formación de la capa límite. Esto podría utilizarse como una característica adicional para los métodos mencionados anteriormente.
A pesar de ser un método eficaz para reducir la resistencia al avance, es un método de un coste elevado y una durabilidad muy reducida (Efectividad aproximada de 1 mes).
Figura 11. Chorreado del Casco (Water blasting)
Otro método eficaz para reducir la resistencia al avance en materia de pinturas es la antiincrustante, pero descartada totalmente en ámbito industrial por su poca durabilidad y alto coste.
5. Prototipos Instalados en Buques
Los prototipos mencionados a continuación comparten similitudes en los principios de funcionamiento.
Estos sistemas han sido diseñados para mejorar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental de la industria marítima, mediante la reducción del consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero. Aunque cada uno de estos sistemas tiene un diseño y funcionamiento específico, todos comparten el objetivo de reducir la resistencia hidrodinámica del casco del buque y mejorar la eficiencia en el consumo de combustible.
5.1 Mitsubishi Air Lubrication System (MALS)
En 2010, se instalaron dos transportadores de módulos con el Sistema de Lubricación de Aire Propio de Mitsubishi (MALS), convirtiéndose en la primera aplicación en el mundo de un sistema de lubricación de aire mediante sopladores de aire en buques de navegación oceánica. MALS ha demostrado una reducción del 13% en las emisiones de CO2.
Figura 12.Vídeo explicativo del sistema MALS
5.2 DK Group Air Cavity Chambers
El sistema DK Group Air Cavity Chambers es un sistema de ahorro de combustible para buques que utiliza cámaras de aire para reducir la fricción y el arrastre hidrodinámico del casco del buque. El sistema se basa en el principio de que la creación de una cámara de aire debajo del casco del buque reduce la resistencia del agua y, por lo tanto, el consumo de combustible.
Las cámaras de aire se crean mediante la instalación de placas en la parte inferior del casco del buque. Estas placas tienen pequeñas perforaciones que permiten que el agua fluya a través de ellas, lo que crea una capa de aire debajo del casco. Esta capa de aire reduce la fricción y el arrastre del agua, lo que permite al buque moverse con mayor facilidad y eficiencia.
El sistema DK Group Air Cavity Chambers ha demostrado ser efectivo en la reducción del consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero en los buques. Además, el sistema es relativamente fácil de instalar en buques existentes y no requiere cambios significativos en el diseño del casco. Esto lo hace atractivo para las empresas navieras que buscan mejorar la eficiencia de sus operaciones y reducir su impacto ambiental.
Tal como hablamos en el punto 3.2, el prototipo de este tipo de sistemas se llevó a cabo en el buque ACS Demostrator. La empresa desarrolladora, DK Group asegura una reducción del consumo de combustible entre un 5%-10%
Figura 13.Vídeo explicativo del prototipo DK Group Air Cavity Chambers
5.3 Sistema Silverstream
El sistema Silverstream es un sistema de propulsión de aire comprimido diseñado para reducir el consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero en buques mercantes. El sistema utiliza un compresor de aire para capturar y comprimir el aire del océano mientras el buque se desplaza. Luego, este aire comprimido se utiliza para reducir la resistencia hidrodinámica que enfrenta el casco del buque y mejorar su eficiencia en el consumo de combustible.
Figura 14. Sistema Silverstream
El sistema funciona mediante la creación de burbujas de aire en el casco del buque, lo que reduce la fricción entre el agua y el casco. Esto permite que el buque se desplace con mayor facilidad a través del agua y reduzca la energía necesaria para moverlo. El sistema también puede reducir significativamente las emisiones de dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) producidos por los motores del buque.
Además, el sistema Silverstream no requiere cambios significativos en el diseño del casco del buque, lo que lo hace fácil de instalar en buques existentes. También se ha demostrado que el sistema es rentable en términos de ahorro de combustible y reducción de emisiones, lo que lo hace atractivo para las empresas navieras que buscan mejorar su eficiencia operativa y reducir su impacto ambiental.
5.4 Sistema de Tubo de Inducción de Aire con Alas (WAIP)
El sistema WAIP funciona mediante la instalación de una serie de tubos de inducción de aire en el casco del buque. Estos tubos están equipados con un diseño de ala que capta el aire en movimiento a medida que el buque se desplaza a través del agua. El aire capturado se dirige hacia los motores de combustión interna del buque, lo que permite que los motores quemen una mezcla más rica de aire y combustible, mejorando así la eficiencia del combustible y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
El sistema WAIP ha demostrado ser efectivo en la reducción del consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero en los buques. Además, el sistema es relativamente fácil de instalar en buques existentes y no requiere cambios significativos en el diseño del casco. También es compatible con una variedad de tipos de combustibles, lo que lo hace adecuado para su uso en una amplia gama de buques.
5.5 Sistema SAVER (SAVER Air)
El Sistema SAVER (SAVER Air) es un sistema de ahorro de combustible para buques que utiliza un dispositivo llamado SAVER para reducir la resistencia del agua en el casco del buque. El dispositivo SAVER está compuesto por una serie de láminas paralelas que se colocan en la parte inferior del casco del buque, creando un espacio de aire entre ellas y el casco.
El sistema funciona mediante la creación de un espacio de aire debajo del casco del buque que reduce la resistencia hidrodinámica. Esto permite que el buque se mueva con mayor facilidad a través del agua y reduzca la energía necesaria para moverlo.
El sistema SAVER es relativamente fácil de instalar en buques existentes y no requiere cambios significativos en el diseño del casco.
5.6 Air Max Air Cushion System (Stena Bulk)
El Air Max Air Cushion System es un sistema de cojín de aire desarrollado por la compañía naviera Stena Bulk para mejorar la eficiencia de combustible y reducir la resistencia hidrodinámica de los buques. Este sistema utiliza un colchón de aire que se bombea debajo del casco del buque, lo que permite que el buque flote sobre una capa de aire en lugar de agua, reduciendo la fricción entre el agua y el casco del buque.
Figura 15. Sistema Stena Bulk
El Air Max Air Cushion System se compone de una serie de cámaras de aire instaladas debajo del casco del buque. Estas cámaras de aire se inflan mediante un sistema de bomba de aire, creando un colchón de aire que levanta el buque por encima del agua y reduce la fricción entre el casco del buque y el agua.
6. Diseño de un Sistema de Lubricación por Aire
El diseño de un sistema de lubricación por aire es un proceso complejo que implica la selección de los componentes adecuados para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente. A continuación se describen los principales componentes y consideraciones que deben tenerse en cuenta en el diseño de un sistema de lubricación por aire.
Figura 16. Esquema básico de un sistema de Lubricación por Aire
1. Grupo de compresores y su motor eléctrico (M.E) de 15HP.
2. Filtro de aire aspirado.
3. Ventilación de la habitación.
4. Refrigerador y secador.
5. Válvula antirretorno.
6. Acumulador de aire, depósito principal.
7. Válvula de seguridad. Limitador de presión.
8. Purgador manual.
9. Presostato. Al alcanzar el depósito la presión máxima, manda una señal de paro al motor.
10. Manómetro del depósito.
11. Manómetro del sistema.
12. Filtro.
13. Regulador.
14. Lubricador/Desengrasador.
15. Tuberías fijas rígidas.
16. Tuberías desmontables rígidas PVC.
17. Tuberías de sistema alimentación principal.
6. Bibliografía
- Effect of buoyancy on the dynamics of a turbulent boundary layer laden with microbubbles. Aurotres: A. Aliseida y J.C. Lasheras. Article in Journal of Fluid Mechanics · July 2006
- Air Lubrication [Scheepvaart En Transport College] [Hogeschool Voor de Zeevaart].
- Estudo Experimental de una capa límite turbulenta con microburbujas. Memorias del XVI Congreso Internacional Anual de la SOMIM. Nuevo León. México
- Estudio de la lubricación por colchón de aire en el casco de un buque. Autor: Pau Capella Costa. [TFG- Facultat de Náutica de Barcelona. Universitat Politécnica de Catalunya].
- Estudio métodos de predicción de resistencia al avance. Autor: Ignacio Fabregas Claramunt. [TFG- Facultat de Náutica de Barcelona. Universitat Politécnica de Catalunya].
- Sistemas de reducción de la resistencia al avance en la navegación mediante una capa de aire entre el casco y el agua. Autor: Alejandro J. Medina Guerrero [TFG- Facultat de Náutica de Barcelona. Universitat Politécnica de Catalunya].
- International Conference on Ship Drag Reduction (SMOOTH-Ships). Istambul Technical University.
- Assessment of the Propulsion System Operation of the Ships. Equipped with the Air Lubrication System. Autor: Mariusz Giernalczyk and Piotr Kaminski.
- DK Group Improving efficiency by retrofitting of an existing vessel with a ACS air lubrication system.
- CFD investigation of ALS
- technique on frictional drag reduction of bulk carrier. Siemens Digital Industries Software.
- Research Progress of Air Lubrication Drag Reduction Technology for Ships. Autor: Hai An, Haozhe Pan and Po Yang. College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University. China
- Drag reduction by microbubble injection in a channel flow. Revista Mexicana de Física 54 (1) 8–14 Febrero 2008.
- Glossary of Terms [Lubrication Equipment Division. Draco].
- (Noticia) Vale recibe un barco que produce burbujas de aire en el casco para reducir las emisiones [www.argenports.com.ar.
- Microbubble Drag Reduction in Liquid Turbulent Boundary Layers. American Society of Mechanical Engineers
- (Vídeo) MALS (Mitsubishi Air Lubrication System) – green ship technology for energy saving by air carpet.
Autor: Roberto García Soutullo
Excelente tema, ya hay aplicaciones de este sistema.
Gracias.
Luis Avalos L.
Excelente tema soy profesor de la Escuela de Naciona de Nautica de Argentina estoy a cargo de los cursos de Termodinamica y teoria de la propulsónsion para los ingenenieros marinos que aspiren ser promovidos a Jefe de máquinas Uno de los temas de teoria de la propulsión es resvalamiento , ( teoría del almirantasgo , Froud etc som parte de este curso ). Lo presentado en esta publicacion es de mucho valor para mis clases. les ruego me indiquen o me envíen toda la informacion para poder trasladarla a mis alunmos, si ello fuera posible.
Quedo atento a sus comentarios
Gracias