BR112019013396B1 - Uso de material revestido com fibra, método para reduzir arrasto residual e material revestido com fibra - Google Patents

Abstract

A invenção é relativa ao uso de um material revestido com fibra macia fácil de limpar na superfície submersa de estruturas para imitar a pelagem de mamíferos e, como tal, reduzir o arrasto residual, em que o dito material compreende ou consiste em fibras que têm um comprimento médio de fibra entre 0,3 e 4 mm e uma espessura média de fibra entre 5 e 80 μm. A superfície submersa da estrutura é preferencialmente o casco de uma embarcação móvel ou que se movimenta, ou a parte submersa de uma estrutura estática como monopilares de energia eólica em alto mar (offshore wind monopiles) e equipamentos em alto mar (off-shore rigs). Em algumas realizações, a invenção é relativa à redução de consumo de combustível de uma embarcação náutica que passa através da água.

Description

Campo da Invenção

[001] A invenção é relativa a pelo artificial que suaviza o fluxo de água ao redor de objetos que estão submersos em água.

Antecedentes da Invenção

[002] Objetos (marinhos) submersos, tanto estáticos como experienciando o fluxo de água ao redor ou navegando em água estática ou corrente, experienciam forças da água em volta deles. Hidrodinamicistas têm tentando minimizar estas forças, alterando as características de superfície das superfícies. Com frequência, a natureza tem sido observada para este propósito. O exemplo mais conhecido é o chamado “efeito de pele de tubarão” (por exemplo, Bechert, D., Bruse, M., Hage, W. et al. Naturwissenschaften (2000) 87: 157. doi:10.1007/s001140050696). Outro exemplo é a criação de uma superfície muito escorregadia como um tipo de “superfície essencialmente lisa” que imita a pele escorregadia de peixes (por exemplo, Yang Wu et al., Biomimicking lubrication superior to fish skin using responsive hydrogels, NPG Asia Materials (2014) 6, e136). Na maioria das vezes, são imitados animais que são totalmente submersos. Para estes animais, além do formato hidrodinâmico do corpo, a resistência friccional sobre a pele é dominante. No entanto, na superfície, a resistência de onda é muito mais importante do que o atrito da pele. Ao nadar submerso, o arrasto diminui 4 vezes devido à redução de arrasto de onda.

[003] Para diferentes propósitos, materiais revestidos com fibra têm sido usados ocasionalmente sobre objetos marinhos para alterar as propriedades da superfície em relação ao ambiente.

[004] O documento WO 1993025432A1 ensina sobre o uso de flocos de fibra com uma alta densidade de fibras curtas finas, como anti-incrustante nas construções marinhas. Ele menciona uma densidade de 50 a 300 fibras/mm2, uma espessura de fibra menor que 0,1 mm e um comprimento de fibra de 0,5 a 5 mm. No entanto, o exemplo comparativo II da patente WO 2007/108679 mostra 6255501v3 que, com base na densidade, somente fibras curtas são usadas e o desempenho anti-incrustante dessas superfícies é limitado. Ao invés disso, o documento WO 2007/108679 descreve um material marinho revestido com fibra que tem propriedades baseada em fibras relativamente curtas e grossas, que são caracterizadas como sendo “similar a espinho”. Estes ainda permitiriam algum movimento de fibra, enquanto se diz que esporos, zoósporos ou organismos larvais de algas e moluscos geralmente se fixam particularmente à matéria relativamente dura e que quase não se move. Não é mencionado registro de uso destes revestimentos de fibra anti-incrustantes para outros propósitos. No entanto, por razões pragmáticas a prática atual de cascos de embarcações está mudando de anti-incrustantes para limpeza quando necessário. A limpeza com veículos remotamente operados está tomando o lugar do mergulho de limpeza e o processo torna-se mais e mais eficiente. Este desenvolvimento aumenta a necessidade de superfícies que são fáceis de limpar.

[005] Casualmente, flocos de fibra também foram descritos para alterar propriedades de fluxo na técnica anterior. Embora com um foco na aerodinâmica ao invés de hidrodinâmica, a patente US 7.318.619 descreve a aplicação de flocagem acoplada a uma superfície com um fluxo de ar nesta para ajustar uma característica aerodinâmica em relação a uma superfície que é desprovida de flocagem, incluindo redução de arrasto e ruído. A patente US 7.318.619 relata elevação aumentada e arrasto diminuído em ângulos de ataque altos com o uso de um aerofólio flocado NACA 2412 com fibras de comprimento de 0,5, 1,0 e 2,5 mm. No entanto, também mostra que o ângulo de ataque zero dos coeficientes de arrasto CD medido para os aerofólios cobertos com fibras - comparado a um aerofólio simples - é 40% superior para a fibra longa de 0,5 mm (CD de 0,7 versus CD de 0,5 de chapa metálica lisa), 60% superior para a fibra longa de 1,5 mm (CD de 0,8 versus CD de 0,5 de chapa metálica lisa) e 80% superior para a fibra longa de 2,5 mm (CD de 0,9 versus CD de 0,5 para chapa metálica lisa). Além disso, as fibras são aplicadas somente sobre o lado de elevação do aerofólio, enquanto que para uma embarcação, é o outro lado que é principalmente dominado por arrasto de atrito ao invés de forças de elevação. Com base nessas informações, um técnico no assunto não extrapolaria as descobertas sobre a aerodinâmica para aprimorar a hidrodinâmica envolvida no movimento de embarcações flutuantes que navegam em um ângulo de ataque de zero graus. Na realidade, no mínimo, ensinaria o técnico no assunto à distância, esperando coeficientes de arrasto mais altos para uma embarcação flutuante revestida com fibra comparado a uma desprovida de flocagem.

[006] A patente US 3.554.154 descreve um barco que tem uma multiplicidade de cerdas que se projetam a partir de sua superfície externa abaixo da linha de água, as cerdas estando suficientemente próximas para amortecer os vórtices de cavitação produzidos por movimento do barco através da água. O efeito de cavitação é causado por diminuição de pressão abaixo da pressão de saturação de vapor para a dada temperatura. De acordo com este documento, cobrir a superfície externa do barco com cerdas amortece o efeito de cavitação e reduz o atrito gerado pelo movimento do barco através da água. No entanto, para o especialista está claro que propriedades de fluxo de um casco acima do ponto de cavitação são sensivelmente diferentes das propriedades de fluxo (normais) abaixo do ponto de cavitação. A cavitação é importante para a hélice e apêndices, mas tem pouca influência no arrasto para movimento da embarcação onde essas condições de redução de pressão não estão presentes.

[007] A patente DE 19704207 descreve a redução da resistência da água (atrito da pele) de um corpo flutuante revestindo sua superfície externa com um padrão de fibra, com as fibras planas deitadas. Os condutores são incorporados na camada de suporte para as fibras para aplicar uma carga positiva que é oposta à carga na água. A alta tensão é aplicada por um sistema de controle que tem um catodo de magnésio. A carga positiva pode ser aplicada tanto por fios incorporados na camada adesiva das fibras ou pelo uso de um adesivo condutor. As fibras são colocadas no padrão exigido durante a aplicação por rolos. Também é descrito na patente DE 19704207 que as estrutura sozinha com as fibras perpendiculares ao fluxo ou possivelmente inclinadas, dá um efeito de redução de resistência com base no fato de que as fibras criam pequenos vórtices que funcionam como uma bolsa de ar/lubrificação por ar. A lubrificação por ar é um conceito conhecido de redução de resistência de atrito na pele. Uma fina camada de ar no casco pode diminuir substancialmente o atrito na cobertura devido à menor viscosidade do ar em comparação à água. A camada de ar funciona como um lubrificante, como em mancais de ar, neste caso entre o casco e a água. No entanto, o formato da maioria dos cascos de navio naturalmente levará à rápida fuga da bolsa de ar, e o constante reabastecimento (injeção de bolhas) seria necessário para manter essa camada de ar. Isto não parece ser um modo de economia de energia.

[008] No 21° International Flock Symposium em Munique, em 2011, Hofmann descreve superfícies flocadas que reduzem as superfícies de atrito da pele com base no aprisionamento de ar (lubrificação por ar). No entanto, o aprisionamento de ar pode modificar a taxa de reabastecimento de ar, mas não elimina a necessidade de fornecimento contínuo de ar. Portanto, um sistema passivo contando apenas com o ar aprisionado (por exemplo, dentro do floco) perderá seu efeito logo após a embarcação ser posta em movimento.

[009] Nenhuma das opções acima ensina a redução das forças acumuladas no objeto submerso (marinho). No mínimo, a técnica ensina uma resistência ao atrito aumentada, geralmente conduzindo à aplicação de fibras em objetos em que se movimentam na água.

Descrição Resumida da Invenção

[010] Como a maioria das estruturas feita pelo Homem reside na superfície da água, a presente invenção baseia-se em imitar a pele de mamíferos marinhos para aprimorar a hidrodinâmica das ditas estruturas. Os mamíferos muitas vezes nadam na superfície e lidam de maneira eficiente com as forças de arrasto predominantes. Imitar a pelagem de mamíferos marinhos para aprimorar a hidrodinâmica geral é uma abordagem totalmente nova e, como tal, quando a técnica discute efeitos de comprimento, o efeito de rigidez (compare cerdas versus pelo) não é abordado. O inventor descobriu inesperadamente que, ao aplicar materiais de flocos de fibras macias tendo um comprimento médio de fibra de 0,3 a 4 mm e espessura média de fibra de 5 a 80 mícrons em estruturas subaquáticas, como o casco de embarcações móveis ou que se movimentam, ou estruturas estáticas submersas, como monopilares de energia eólica em alto mar (offshore wind monopiles) e equipamentos em alto mar (off-shore rigs), onde o ângulo de ataque do fluxo de água é inerentemente 0 grau, o arrasto total não é influenciado negativamente e o atrito (pele) é aumentado acentuadamente, estes materiais de flocos de fibra têm excelentes propriedades de redução de arrasto residual que podem até mesmo levar à redução do arrasto total.

[011] É mostrado nos exemplos que fibras mais finas têm uma resistência ao atrito diminuída em comparação a fibras mais grossas, e fibras mais longas têm um atrito de superfície mais alto em comparação a fibras mais curtas, tornando assim uma ferramenta para otimização de propriedades de fluxo com base no comprimento e diâmetro da fibra. Além disso, uma vez que os efeitos de uma estrutura de superfície somente prevalecem desde que a superfície esteja livre de incrustação, é importante manter a incrustação longe ou que seja fácil de limpar em caso de aparecimento de incrustação. O inventor descobriu que esses dois objetos podem ser mesclados ao trabalhar com comprimentos e espessuras da fibra e, opcionalmente, razões de espessura para comprimento da invenção. As fibras são fáceis de limpar.

[012] Em uma realização, a estrutura é uma embarcação náutica em movimento ou que se (auto)movimenta. Associado a isto, a invenção é relativa à redução de consumo de combustível de uma embarcação náutica que passa através da água. Em outra realização, a estrutura é uma estrutura estática como monopilar de energia eólica em alto mar ou equipamento em alto mar.

[013] Em um aspecto relacionado, a invenção é relativa a um material revestido com fibra sobre a superfície submersa de uma estrutura como uma estrutura náutica móvel ou que se movimenta ou uma estrutura estática, como um monopilar de energia eólica em alto mar ou equipamento em alto mar, para reduzir o arrasto residual, em que o dito material compreende ou consiste em fibras que têm um comprimento médio de fibra e espessura média de fibra conforme definido no relatório descritivo e reivindicações que acompanham.

[014] O material revestido com fibra aprimorou as propriedades de limpabilidade, isto é, preferencialmente é fácil de limpar.

Lista de Figuras

[015] Figura 1: Diagrama esquemático mostrando a dependência do coeficiente de arrasto total C_total na razão velocidade-comprimento da embarcação (V(/^L)): (“1”) coeficiente de arrasto de atrito na pele, (“2”) coeficiente de arrasto residual, (“3”) linha de fluxo laminar, (“4”) transição para turbulência, (“5”) fluxo turbulento, (“6”) fluxo totalmente turbulento, (“7”) arqueamento em C_total devido à resistência de criação de onda, (“8”) oco em C_total devido à resistência de criação de onda; e

[016] Figura 2: O efeito do floco de fibra na velocidade da embarcação (em nós) obtido em rpm específica do motor em modo de deslocamento. Losangos (“2”) indicam os resultados com fibras longas (comprimento médio de 2,5 a 3 mm), quadrados (“1”) representam as fibras curtas (comprimento médio de 0,5 a 1,5 mm), e os círculos (“3”) são obtidos com a superfície da embarcação sem revestimento.

Descrição Detalhada da Invenção

[017] Em um aspecto, a invenção é relativa ao uso de material revestido com fibra na superfície submersa de uma estrutura para reduzir arrasto residual (hidrodinâmico), em que o dito material compreende ou consiste em fibras que têm um comprimento médio de fibra entre 0,3 e 4 mm e uma espessura média de fibra entre 5 e 80 mícrons. Em outro aspecto, a invenção é relativa a um método para reduzir arrasto residual de uma estrutura imersa em água, em que pelo menos parte da superfície submersa de uma estrutura é fornecida com o dito material revestido com fibra, em que o dito material compreende ou consiste em fibras que têm um comprimento médio de fibra entre 0,3 e 4 mm e uma espessura média de fibra entre 5 e 80 mícrons.

[018] Em uma realização, as fibras preferencialmente têm um comprimento médio entre 0,5 e 3,5 mm, mais preferencialmente entre 0,5 e 3 mm, mais preferencialmente menor que 2,5 mm, até mais preferencialmente menor que 2 mm, com a máxima preferência menor que 1 mm, com a máxima preferência na faixa de 0,5 a 1 mm.

[019] Em uma realização, por causa da limpabilidade aprimorada, é preferencial que as fibras tenham uma espessura média abaixo de 80 μm, preferencialmente abaixo de 75 μm, preferencialmente abaixo de 70 μm, mais preferencialmente abaixo de 60 μm, mais preferencialmente abaixo de 50 μm, até mais preferencialmente abaixo de 45 μm, com a máxima preferência abaixo de 30 μm.

[020] Em uma realização preferencial, os comprimentos médios de fibra preferencias acima e a espessura média de fibras são combinados. Dentro dessas faixas, a combinação atual da espessura e comprimento médios pode ser selecionada dependendo do arrasto e limpabilidade ideais para uma aplicação particular. Em outra realização, por causa da limpabilidade aprimorada, o comprimento médio da fibra é preferencialmente pelo menos 1 mm, mais preferencialmente pelo menos 2 mm, com a máxima preferência entre 2 e 4mm, mais preferencialmente pelo menos 2,5 mm, e preferencialmente tem uma espessura média de fibra conforme definido acima no presente pedido. A limpabilidade aprimorada para estas fibras mais longas é, no entanto, menos vantajosa para reduções de arrasto residual. Se, dentro das faixas da invenção, é mais importante atacar problemas de arrasto residual, o comprimento médio da fibra é preferencialmente abaixo de 3,5 mm, mais preferencialmente abaixo de 3,0 mm, com a máxima preferência abaixo de 2,5 mm, até mais preferencialmente abaixo de 2,0 mm. Com menores comprimentos de fibra, a limpeza exigirá mais atenção.

[021] Dentro das faixas mencionadas acima, as fibras de acordo com a invenção preferencialmente têm uma razão de espessura para comprimento (com base no comprimento médio da fibra e espessura média da fibra) em 0,05 ou abaixo, preferencialmente abaixo de 0,04, mais preferencialmente abaixo de 0,03 (isto é, diâmetro médio sobre o comprimento médio). A razão de espessura para comprimento é preferencialmente pelo menos 0,005, mais preferencialmente pelo menos 0,009, com a máxima preferência pelo menos 0,01.

[022] Para imitar o pelo de mamífero, fibras macias são depositadas sobre a superfície de um objeto por flocagem eletrostática. Com esta técnica, as fibras carregáveis podem ser carregadas em um campo elétrico de alta tensão entre um recipiente de fibra e o objeto (aterrado) a ser flocado. Devido ao campo elétrico, as fibras fluem diretamente para o objeto e as fibras se aproximam perpendicularmente. Um adesivo aplicado sobre o objeto captura as fibras e após um processo de secagem e reticulação, as fibras são presas permanentemente. As fibras podem ser flocadas direcionalmente, para permitir o posicionamento inteligente do fluxo. Materiais de fibra podem ser diversos, por exemplo, viscose, poliéster e poliamida e também suas dimensões e densidades podem variar amplamente. É claro que diferentes fibras irão experienciar diferentes comportamentos no fluxo de água em ambos os materiais bem como importam as dimensões das fibras (comprimento, diâmetro, razão de espessura para comprimento). Além disso, diferentes mamíferos têm diferentes pelos na pelagem e então para encontrar a fibra correta para otimizar hidrodinâmica, seleção e otimização são essenciais.

[023] Para entender o fenômeno hidrodinâmico em uma superfície revestida com fibra, particularmente à luz dos resultados desencorajadores nos ensinamentos da técnica longe das propriedades de redução de arrasto das fibras, tem-se que discernir entre diferentes componentes de arrasto. A parte submersa do arrasto consiste essencialmente em arrasto friccional e residual. Estes componentes de arrasto variam independentemente um do outro.

[024] Visto que é somente o movimento relativo do fluido (água) em relação a um objeto que importa, tudo dito sobre os efeitos redutores vantajosos de arrasto residual para um corpo que se movimenta através de um fluido se traduz automaticamente para a situação quando um fluido flui ao redor de uma estrutura estática (submersa).

[025] O arrasto friccional é devido à viscosidade interna da água e se origina do movimento de cisalhamento dos volumes de água nas proximidades de um objeto. Quando um corpo se move através de um fluido, uma camada limite se desenvolve em sua superfície exposta: a camada de fluido na proximidade imediata da superfície sólida está imóvel em relação ao corpo, isto é, está fixa ao corpo e se move com a sua velocidade (condição de limite sem deslizamento); as camadas de fluido adjacentes têm uma velocidade gradualmente decrescente até muito longe do corpo em que o fluido fica completamente imóvel. (Ao contrário, quando um fluido se move ao redor de uma estrutura estática diminui a velocidade dentro da camada limite até que a velocidade zero seja alcançada na superfície da estrutura). O atrito dentro da camada limite é ditado pela viscosidade do fluido (água) e governa a resistência friccional do corpo. A resistência friccional de uma embarcação que se movimenta através de um fluido é proporcional à área molhada do casco da embarcação e depende da espessura da camada limite. O estado e a espessura da camada limite se altera com a velocidade da embarcação e com a posição ao longo do casco, tendo o ponto frontal extremo da embarcação sendo a referência. Em velocidades baixas e próximo à camada limite frontal é laminar (transferência difusa entre as camadas de fluido adjacentes). Em altas velocidades e/ou longe da camada limite frontal torna-se turbulento (transferência convectiva entre as camadas de fluido adjacente associadas com a criação de vórtices e alteração caótica das propriedades do fluido). Na técnica, tem sido dedicada muita atenção ao arrasto friccional e maneiras para reduzi-lo.

[026] O arrasto residual é feito principalmente de arrasto de forma (também conhecido como arrasto de “pressão”) e arrasto de onda (ou que cria onda): 1. Em realizações com embarcações náuticas que se movimentam, o arrasto de forma depende do formato da embarcação e se origina da diferença de pressão na parte frontal e a parte posterior da embarcação. Conforme o recipiente se move através da água, a água na sua frente é dividida e forçada a se mover ao redor da embarcação, cujo fenômeno é associado a um aumento de pressão local. Ao contrário, na parte posterior da embarcação a água se reúne e preenche o vazio deixado após a passagem da embarcação. Se isso não é feito de maneira eficiente, a baixa pressão local é formado atrás da embarcação. A diferença nestas pressões atua na área de seção transversal da embarcação e exerce uma força que diminui a velocidade - arrasto de forma. O arrasto de forma depende do formato do casco e do rastro formado atrás da embarcação. A separação de fluxo aumenta o rastro e diminui a eficiência com a qual a pressão traseira é recuperada, levando assim a um aumento de arrasto de forma. 2. O arrasto de onda (arrasto que cria onda) refere-se à formação de ondas. Em água calma, um sistema de onda se desenvolve na superfície da água após a passagem de uma embarcação. Portanto, parte da energia da embarcação foi usada para agitar este sistema de onda. Isto está associado a uma força de arrasto - arrasto que cria a onda. O arrasto de onda depende da diferença nas pressões na parte frontal e na parte traseira da embarcação, por isso, no comprimento da embarcação, no formato do casco, mas também na dissipação viscosa dentro da camada limite.

[027] A Figura 1 demonstra os diferentes componentes de arrasto (em termos do coeficiente de arrasto total) em relação à razão velocidade (V)- comprimento (√L) de uma embarcação flutuante. Em razões velocidade - comprimento baixas, também associadas com número de Reynolds baixo (Re=p/Lμ, aqui p é a densidade do fluido e μ sua viscosidade, V é a velocidade da embarcação em relação ao fluido e L é o comprimento da embarcação), o arrasto friccional (“1”) domina. Além disso, o coeficiente de arrasto friccional diminui com V(/√L). O coeficiente de arrasto total inicialmente segue a mesma tendência, mas em V/ (√L) mais alto, a contribuição de arrasto residual (“2”) cresce e eventualmente predomina. Em velocidades de cruzeiro típicas de embarcação, o arrasto residual pode contribuir para mais de 50% do arrasto total experienciado pela embarcação.

[028] Nas descobertas dos inventores, o arrasto total foi neutro, conforme mostrado nos Exemplos 4, 5 e 7, e conforme aumentou o arrasto friccional, conforme mostrado no Exemplo 1, o arrasto residual deve ter diminuído inerentemente.

[029] As descobertas do inventor em relação ao arrasto residual podem trazer propriedades de arrasto total vantajosamente mantidas ou até inferiores, e redução de combustível associada, para embarcações que se movimentam através da água, no caso do comprimento e espessura das fibras serem variadas nas descobertas iniciais do inventor para diminuir a contribuição de atrito enquanto mantendo a diminuição de arrasto residual.

[030] O Exemplo 1 mostra claramente a diferença no arrasto friccional nos discos revestidos com fibra com diferentes comprimentos e espessuras. Quanto mais curta a fibra, menor o arrasto de atrito; quanto mais fina a fibra do mesmo comprimento médio, menor o arrasto de atrito. Estas descobertas implicam que para diminuir o arrasto friccional, as fibras devem ser tão curtas e finas quanto possível. No entanto, as dimensões devem ser cuidadosamente selecionadas de modo que a diminuição na resistência residual ainda esteja presente e, dessa forma, haverá um valor mínimo, especialmente do comprimento das fibras. Como mostra o Exemplo 7 que, para uma embarcação longa e delgada, dominada por arrasto de atrito, o arrasto é neutro para uma fibra de 0,7 mm, esta ainda é uma fibra onde existem propriedades de arrasto residual. Por exemplo, o fato de que o arrasto neutro 4 e 5 foi descoberto para a fibra de 3 mm de comprimento e grossa, mostra que nesta região de comprimento, dependendo do formato da embarcação, a diminuição do arrasto residual pode corresponder ao aumento de arrasto friccional.

[031] Para otimizar os benefícios do arrasto residual, fibras mais macias são preferenciais sobre fibras mais rígidas e fibras mais curtas sobre fibras mais longas. Prefere-se que a espessura média da fibra esteja na faixa de 5 a 80 μm, mais preferencialmente 5 a 75 μm, particularmente 5 a 70 μm, preferencialmente menos que 60 μm, mais preferencialmente menos que 50 μm, com a máxima preferência menos que 45 μm, especialmente preferencial sendo de 10 a 30 μm.

[032] Para os efeitos no arrasto para a última, a superfície deve permanecer livre de contaminação (biológica, química, sedimento). Neste aspecto, um segundo aspecto da invenção ensina a necessidade de limpar uma superfície facilmente. As fibras da pelagem artificial evitam que a poluição alcance facilmente a superfície do objeto isolado. Poluição, tanto orgânica como inorgânica na natureza, irão “incrustar” a parte superior das fibras e irão criar uma camada de depósito naquele local. Esta arrumação na parte superior das fibras deixa espaço debaixo da incrustação e este espaço permite a fácil limpeza uma vez que uma ferramenta de limpeza pode ser facilmente pressionada na esteira de fibras para permitir a remoção a partir do lado inferior ao invés da parte superior.

[033] Descobriu-se que o comprimento da fibra desempenha um papel importante na limpabilidade. Fibras curtas deixam pouco espaço por baixo para posicionar ferramentas de limpeza e podem até levar a fixação firme já que os adesivos secretados pelos organismos tropicais podem ser espessos e podem incorporar em sua totalidade até em fibras de comprimento de 3 a 4 mm. O Exemplo 6 mostra a diferença na limpeza entre um tipo de fibra curta e longa em condições comparáveis de água do norte da Europa, em comparação a um revestimento anti-incrustante convencional.

[034] Ainda em outro aspecto, no caso de períodos ociosos de embarcações ou estruturas, pode ocorrer incrustação e a limpabilidade torna-se importante. Nestes casos, fibras flexíveis mais longas são preferenciais em relação às mais curtas, bem como em relação às fibras mais grossas. O Exemplo 6 compara a limpabilidade de diferentes fibras.

[035] A densidade dos flocos de fibras (“densidade do floco”) é preferencialmente convencional, e repousa dentro das habilidades do técnico no assunto para obter densidades de floco úteis até cerca de 25% de cobertura. Para atingir características similares a floco, é preferencial uma densidade mínima de 3%. Embora não haja nenhuma limitação distinta em termos de densidades para a qual a redução de arrasto residual é obtida, as densidades do floco estão preferencialmente na faixa de 3 a 25%, mais preferencialmente na faixa de 5% a 15%.

[036] Podem ser usados todos os tipos de materiais que formam fibras. Tanto polímeros hidrofílicos como hidrofóbicos podem ser empregados. As fibras são comumente compostas de poliéster, poliamida ou poliacrilato, incluindo poliésteres como poli(etileno) tereftalato e poli(butileno) tereftalato, poliamidas representadas por náilon (6), (11), (12), (66) e (610), mas também poliuretano, poli(vinil álcool) (modificado), polialquileno como polietileno ou polipropileno ou formas (copolimerizadas) modificadas dos mesmos. Também podem ser aplicadas fibras naturais como raiom. As fibras são preferencialmente feitas de materiais de fibra sintética, preferencialmente selecionadas a partir do grupo que consiste em poliéster, poliamida, polietileno, polipropileno, poliacrilato, polissiloxano, fluoropolímero e combinações dos mesmos. As fibras também podem compreender modificações, copolímeros ou misturas dos tipos mencionados acima. As fibras preferencialmente compreendem poliamida e polipropileno.

[037] Em uma realização, a redução de arrasto residual compensa ou até substitui o aumento de arrasto friccional, preferencialmente substitui por pelo menos 1%, mais preferencialmente pelo menos 2,5%, com a máxima preferência pelo menos 5%, reduzindo assim o arrasto total.

[038] Prefere-se que pelo menos 5%, mais preferencialmente pelo menos 10% da parte submersa (abaixo da linha d’água) da estrutura, como o casco de uma embarcação, esteja coberto pelos materiais de flocos de fibra. Em uma realização, prefere-se que tudo, preferencialmente menos de 90%, mais preferencialmente menos de 80%, até mais preferencialmente menos de 70%, mais preferencialmente menos de 60%, preferencialmente menos de 50% da parte submersa (do casco da embarcação) esteja coberta pelos materiais de floco de fibra. Isto é tanto de uma perspectiva econômica, como também para manter o arrasto friccional, no caso de uma embarcação, principalmente resultante do fundo plano e lados verticais, em níveis razoáveis.

[039] A presente invenção oferece soluções para questões de arrasto adaptadas para serem usadas tanto em embarcações (náuticas) pequenas com um arrasto superficial previsível como cascos relativamente curtos ou embarcações de grande deslocamento, com projetos variáveis e cascos longos. Em uma realização, os flocos de fibra são aplicados a um objeto que passa através da água.

[040] A invenção também oferece soluções para estruturas estáticas imersas na água, onde o fluxo de água ao redor ou através da estrutura exerce forças sobre a estrutura conforme o arrasto é causado pelo movimento relativo entre a água e as estruturas. O uso de flocos de fibra vantajosamente reduz o arrasto residual e a quantidade de força exercida sobre a estrutura. Estruturas estáticas (submersas) preferenciais são monopilares de energia eólica em alto mar e equipamentos em alto mar, mas também plataformas, plataformas de petróleo, postes de atracação e boias.

[041] A invenção, dessa forma, é relativa a estruturas revestidas com fibra para uso na água, em que pelo menos parte da superfície é coberta com flocos de fibra com fibras tendo um comprimento médio menor que 4 mm, para manter baixo arrasto de atrito, mas maior que 0,3 mm para permitir a diminuição no arrasto residual. Preferencialmente, o comprimento médio da fibra é menor, isto é, entre 0,5 mm e 4 mm, preferencialmente entre 0,5 e 1,5 mm para otimização do arrasto, preferencialmente entre 2 e 3 mm para otimização da limpabilidade. A densidade e a espessura das fibras podem ser otimizadas dependendo da velocidade necessária ou requisitos adicionais como (mas não se limitando a) facilidade de limpeza de incrustação (inorgânica, bem como biológica).

[042] A menos que especificado de outra forma, os valores para espessura, comprimento, densidade e razões dadas ao longo de toda descrição e reivindicações são médias. É tolerado um corte abaixo e acima de menos de 5% das fibras individuais.

[043] A invenção somente pode funcionar corretamente se nenhuma poluição estiver incrustando a superfície. Como se sabe, todas as superfícies irão eventualmente incrustar, a melhor superfície para se obter é uma superfície fácil de limpar. A invenção, portanto, também é relativa a efeitos de facilidade de limpeza das fibras. Para otimização em relação à limpeza, fibras mais longas e mais macias são preferenciais em relação às rígidas, bem como em relação às fibras curtas (consulte o Exemplo 6).

Exemplos Exemplo 1 Medições de Resistência Friccional por uma Configuração de Disco Rotativo

[044] Foram realizados testes de arrasto de atrito em um ambiente de laboratório, usando discos de PVC rotativos, girando em água, revestidos com fibras. Além da medição de um disco de PVC plano, dois conjuntos de discos são comparados: fibras curtas com o mesmo diâmetro médio, comprimento médio diferente (0,5 e 1,0 mm) e fibras longas (3 mm em média) com diferentes diâmetros médios (27, 50 e 70 μm). A velocidade de rotação resultante de um torque especificado foi medida. Vários valores de torque foram usados, um torque característico foi medido em cada caso. Como há condição de placa plana, a resistência é puramente relacionada ao atrito. As medições foram realizadas em diferentes torques.

[045] Em uma medição característica, a superfície coberta com fibra de 0,5 mm de comprimento resultou em uma diminuição de 29% na velocidade de rotação, enquanto que a superfície coberta com fibra de 1,0 mm de comprimento resultou em uma redução de 35% na velocidade de rotação em relação ao disco de PVC liso, mostrando que as fibras mais curtas resultam em menor aumento de atrito. Em outra medição característica para o conjunto de fibras de comprimento de 3mm, a superfície coberta com fibra de 27 mm de diâmetro resultou em uma velocidade de rotação 46% mais baixa, a superfície coberta com fibra de 50 mm de diâmetro resultou em velocidade de rotação 48% mais baixa e a superfície coberta com fibra de 70 mm resultou em uma velocidade de rotação 51% mais baixa em comparação ao disco de PVC liso, mostrando que as fibras mais grossas resultam em aumento de atrito mais alto.

Exemplo 2 Propriedades de Limpeza

[046] Uma embarcação de apoio em alto mar foi revestida, em média, com filme coberto com fibra de 3 mm (com espessura média de fibra de 44 μm) e a embarcação foi testada por 2,5 anos em água, significando que estava ociosa na posição de apoio perto de plataformas de petróleo e navegando somente ocasionalmente. Depois de 2 anos pouca incrustação estava presente (inspeção submersa) e após 2,5 anos, a embarcação estava em doca seca. Durante a doca seca, qualquer incrustação presente poderia ser facilmente removida. Uma pequena fração de incrustação estava presa permanentemente com uma camada grossa de adesivo penetrando através da camada de fibra grossa de 3 mm.

Exemplo 3 Arrasto

[047] Chapas de flocos de fibra (comprimento médio de 3 mm, diâmetro médio de 70 μm; densidades convencionais de floco) foram fixadas a um barco piloto de alumínio e foram executados ensaios de velocidade. Para evitar a influência de correntes e vento, foram realizados testes de velocidade em duas direções. Após o ensaio de velocidade, as chapas foram removidas e o mesmo ensaio de velocidade foi realizado com o casco liso. Antes de executar cada teste, a embarcação foi reabastecida. Após o ensaio, com o casco liso, uma segunda chapa foi fixada ao casco, desta vez compreendendo fibras curtas (comprimento médio de 0,7 mm, diâmetro médio de 13 μm), com densidades de floco similares.

[048] Os testes procederam da seguinte forma: primeiro foi aplicada uma rpm desejada (rotação por minuto) do motor, corrigindo assim a potência de propulsão, seguido por permitir que a embarcação fizesse uma velocidade constante. A cada 5 segundos, os dados foram registrados, incluindo a rpm do motor, coordenadas da embarcação, direção e velocidade em relação à superfície. A uma dada rpm do motor, a velocidade da embarcação foi calculada como a média de duas execuções: uma na direção das condições climáticas predominantes; e a segunda executada na direção oposta. Para cada velocidade de rpm do motor, os erros foram calculados estatisticamente a partir das medições individuais e o maior das duas execuções foi aceito como o relevante.

[049] A Figura 2 mostra os resultados do teste. É claro que, enquanto o navio permanece no modo de deslocamento, a velocidade resultante de uma potência específica do motor é a mesma para o casco liso e a fibra longa. Olhando para o resultado da fibra curta, um grande aumento na velocidade é atingido com a mesma potência do motor, indo de um aumento na velocidade de 7% (em alta velocidade) para mais de 20% (em velocidades mais baixas).

Exemplo 4 Arrasto

[050] Chapas de flocos de fibra (comprimento médio de 3 mm; diâmetro médio de 70 μm, densidades convencionais de floco) foram fixadas a um rebocador de porto e uma tinta anti-incrustante regular foi aplicada a um rebocador de porto idêntico. Rebocadores têm canais de resfriamento de quilha, cujo comprimento das embarcações é de 19,6 m. Foram realizados ensaios de velocidade com ambos as embarcações para estabelecer a velocidade máxima atingível. O rebocador com as chapas de flocos de fibra atingiu uma velocidade máxima de 11,0 nós, enquanto que o rebocador com a tinta anti-incrustante regular atingiu uma velocidade máxima de 11,2 nós. Com base no desfecho dos experimentos no Exemplo 1, pode-se somente se concluído que isto foi realizado por uma grande diminuição no arrasto residual.

Exemplo 5 Arrasto

[051] Chapas de flocos de fibra (comprimento médio da fibra de 3 mm; diâmetro médio de 70 μm, densidades convencionais de floco) foram fixadas a um escaler de tripulação de aço de 34 m de comprimento, com o qual ensaios de velocidade com tinta anti-incrustante regular deu uma velocidade máxima atingível de 16,0 nós. Foram realizados ensaios de velocidade com a embarcação após aplicação das chapas de flocos de fibra para estabelecer a velocidade máxima atingível. A velocidade máxima atingida foi de 16,5 nós. Com base no resultado dos experimentos no Exemplo 3, isto foi associado a uma grande diminuição no arrasto residual.

Exemplo 6 Limpeza

[052] Chapas de flocos de fibra com dois comprimentos médios de fibra (0,7 e 3 mm) foram fixadas em duas embarcações em água fria e foram inspecionadas após 2 meses (chapa de fibra de 0,7 mm) e 1,5 ano (chapa de fibra de 3 mm). Uma embarcação idêntica como a revestida com a chapa de fibra de 3 mm foi revestida com uma pintura anti-incrustante regular para comparação e foi usada de maneira comparável por 1,5 ano. Todas as três embarcações mostraram incrustação até certo ponto e foi realizada limpeza. A fibra curta necessitou de ferramentas de limpeza de chapa de metal e, em seguida, foi facilmente de limpa empurrando a chapa de metal por baixo da incrustação. Para a chapa de fibra longa, mesmo após 1,5 ano, foi possível limpar apenas com as mãos. Para a tinta anti-incrustante regular, a limpeza com uma faca de mergulho até resultou na remoção do sistema de revestimento inteiro, mostrando a incapacidade para limpar a superfície sem fibras presentes.

Exemplo 7 Arrasto

[053] Chapas de flocos de fibra (comprimento médio de 0,7 mm, diâmetro médio de 14 μm, densidades convencionais de floco) foram fixadas a uma embarcação delgada de 220 m de comprimento com a qual ensaios de velocidade com tinta anti-incrustante obtiveram uma velocidade máxima atingível de 21,6 nós. Foram realizados ensaios de velocidade com a embarcação após aplicação das chapas de flocos de fibra para estabelecer a velocidade máxima atingível. A velocidade máxima atingida foi de 21,3 nós. Com base no resultado dos experimentos no Exemplo Comparativo 3, com um aumento na resistência friccional na faixa de 30 a 35% para esta fibra, a velocidade igual está associada a uma grande redução no arrasto residual para a embarcação revestida com as fibras.

Claims (16)

1. USO DE MATERIAL REVESTIDO COM FIBRA, na superfície submersa das estruturas, caracterizado por ser para reduzir arrasto residual, em que o dito material compreende ou consiste em fibras que têm um comprimento médio de fibra entre 0,3 e 4 mm e uma espessura média de fibra entre 5 e 80 μm, e em que ditas fibras são posicionadas perpendicularmente à superfície submersa da estrutura, e em que o ângulo de ataque do fluxo de água é de zero graus.

2. USO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita superfície submersa de estruturas ser o casco de uma embarcação que se (auto)movimenta ou em movimento, ou a parte submersa de estruturas estáticas como monopilares de energia eólica em alto mar (offshore wind monopiles) e equipamentos em alto mar (off-shore rigs).

3. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por ser para redução de consumo de combustível de uma embarcação náutica que passa através da água.

4. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo comprimento médio da fibra estar na faixa de 0,5 e 3,5 mm, preferencialmente entre 0,5 e 3 mm, mais preferencialmente menor que 2,5 mm, até mais preferencialmente menor que 2 mm, com a máxima preferência menor que 1 mm, com a máxima preferência na faixa de 0,5 e 1 mm.

5. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela espessura média da fibra ser entre 5 e 75 μm, preferencialmente entre 5 e 70 μm, mais preferencialmente entre 5 e 50 μm, com a máxima preferência entre 5 e 30 μm.

6. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelas fibras terem uma razão de espessura para comprimento (com base no comprimento médio da fibra e espessura média da fibra) em 0,05 ou abaixo, preferencialmente abaixo de 0,04, mais preferencialmente abaixo de 0,03 e preferencialmente pelo menos 0,005, mais preferencialmente pelo menos 0,009, com a máxima preferência pelo menos 0,01.

7. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pela densidade do floco de fibra ser entre 3 e 25%.

8. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por pelo menos 5% da superfície submersa da embarcação ser coberta pelo dito material revestido com fibra.

9. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelas fibras serem de material de fibra sintética e serem selecionadas a partir de poliéster, poliamida, polietileno, polipropileno, poliacrilato, polissiloxano, fluoropolímero e combinações dos mesmos.

10. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelas fibras fornecerem facilidade de limpeza de depósitos.

11. USO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelas fibras terem um comprimento médio de fibra de pelo menos 1 mm, mais preferencialmente pelo menos 2 mm, mais preferencialmente pelo menos 2,5 mm, com a máxima preferência pelo menos 3 mm.

12. USO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por ser para redução do arrasto total de uma embarcação náutica que passa através da água.

13. MÉTODO PARA REDUZIR ARRASTO RESIDUAL, de uma embarcação náutica em movimento imersa em água, caracterizado por pelo menos parte da superfície submersa da embarcação em movimento ser fornecida com um material revestido com fibra macia, em que o dito material compreende ou consiste em fibras que têm um comprimento médio de fibra entre 0,3 e 4 mm e uma espessura média de fibra entre 5 e 80 μm, e em que ditas fibras são posicionadas perpendicularmente à superfície submersa da estrutura, e em que o ângulo de ataque do fluxo de água é de zero graus.

14. MATERIAL REVESTIDO COM FIBRA, para a superfície submersa de uma estrutura náutica móvel ou em movimento para reduzir arrasto residual, caracterizado pelo dito material compreender ou consistir em fibras que têm um comprimento médio de fibra entre 0,5 e 3 mm e uma espessura média de fibra entre 10 e 30 μm, e em que ditas fibras são posicionáveis perpendicularmente à superfície submersa da estrutura, em que as fibras têm uma razão de espessura para comprimento - com base no comprimento médio da fibra e espessura média da fibra - abaixo de 0,03.

15. MATERIAL, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo comprimento médio da fibra ser menor que 2,5 mm, até mais preferencialmente menor que 2 mm, com a máxima preferência menor que 1 mm, com a máxima preferência na faixa de 0,5 e 1 mm.

16. MATERIAL, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 15, caracterizado pelas fibras terem uma razão de espessura para comprimento (com base no comprimento médio da fibra e espessura média da fibra) de pelo menos 0,005, mais preferencialmente pelo menos 0,009, com a máxima preferência pelo menos 0,01.