Keel Cooler

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ESTEFANO MAGALHÃES LOIOLA
RENAN RODRIGUES MARCHEZAN
VICTOR BRUCK DOS SANTOS
 
 
KEEL COOLER: UMA ABORDAGEM SOBRE FUNCIONAMENTO E ESPECIFICAÇÕES
 
 
 
 
 
Trabalho da disciplina de Transferência de Calor e Massa, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pampa, como requisito parcial para aprovação.
ALEGRETE
2020
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO	3
2 CONCEITOS GERAIS E REVISÃO DE LITERATURA	4
2.1 Motores de combustão interna	4
2.2 Motor diesel	5
2.3 Trocadores de calor	5
2.4 Tipos de trocadores de calor	6
2.4.1 Radiador	6
2.4.2 Trocador de calor de placas	7
2.4.3 Trocador de calor de quilha	8
3 METODOLOGIA DE CONSTRUÇÃO E FUNCIONAMENTO	9
3.1 Funcionamento do Keel Cooler	10
3.1.2 Temperatura de Trabalho	11
3.1.3 Pressão de Trabalho	11
3.1.4 Fenômenos térmicos	12
3.2 Parâmetros de projeto	13
4 ANÁLISES E RESULTADOS	14
4.1 Comparativo entre o keel cooler e radiador	16
REFERÊNCIAS	17
1 INTRODUÇÃO
No campo dos estudos térmicos, os trocadores de calor representam uma boa alternativa quando há a necessidade de realizar eficientes trocas térmicas entre dois fluidos. Estes equipamentos são empregados em processos industriais complexos e até mesmo em atividades de pequena escala. Podem ser utilizados de forma direta, em processos de aquecimento e resfriamento de produtos, ou de forma indireta, no caso de condensadores e evaporadores (GUO et al., 2002). 
Os trocadores de calor são equipamentos indispensáveis na engenharia e indústrias químicas, procuram-se soluções de otimização destes equipamentos para que possam fazer o trabalho onde antes existiam mais despesas para seu funcionamento. Esses equipamentos hoje em dia são muito comuns, sendo que foram projetados para realizar transferência de calor entre dois ou mais fluidos sem que os mesmos entrem em contato e também proporcionar o reaproveitamento da energia térmica existente nos fluidos, onde segundo Silva e Konrath (2019) os trocadores transformam-se em ferramentas importantes para a preservação do meio ambiente. Em razão da diversidade, esses equipamentos são normalmente classificados de acordo com seu formato de construção que são desenvolvidos visando uma alta eficiência e uma boa troca térmica (CARDOSO; JUSTI; LOPES, 2019).
Considerando a importância deste estudo para a área da Engenharia Mecânica e para como futuros profissionais na busca de projetos, o objetivo do presente trabalho é realizar um estudo sobre um trocador de calor marítimo que se denomina keel cooler, que é utilizado em embarcações que usam motores sem marinização, especificando detalhes importantes para sua aplicação, como: faixas de temperatura, tipos de fluidos que é trabalhado, condições, propriedades físicas e materiais. Também é procurado expor no que estas diferenças afetam o comportamento e manutenção desse trocador de calor.
O tema em questão foi escolhido por abordar um trocador de calor de fácil entendimento, mas que apresenta várias vantagens, porém que deve ser amplamente estudado, pois esse tipo de trocador de calor é uma boa saída para meios de refrigeração marítimos, onde o mesmo apresenta um baixo índice de manutenção em comparação a uma mufla ou um radiador. 
Na parte 2 estão considerados um breve levantamento sobre MCI e trocadores de calor. Na parte 3 do trabalho são feitas descrições sobre a parte metodológica do trabalho, onde falaremos mais sobre como o presente trabalho foi realizado em torno de pesquisas bibliográficas, manuais técnicos e encontrados em plataformas online que especificaram o princípio de funcionamento de um keel cooler. Na parte 4 são levantadas as conclusões retiradas ao longo de todo esse estudo sobre esse tipo de trocador de calor.
2 CONCEITOS GERAIS E REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Motores de combustão interna
Segundo Moran & Shapiro (2002), motores de combustão interna alternativos é o termo que se utiliza para os motores usados em automóveis, caminhões e ônibus nos quais os processos de combustão ocorrem dentro de arranjos cilindro-pistão com movimento alternativo e não em uma série de componentes diferentes interconectados. Como exemplos principais desses motores têm-se o motor com ignição por centelha e o motor com ignição por compressão. Num motor com ignição por centelha, uma mistura de combustível e ar é incendiada por uma vela. Num motor com ignição por compressão, o ar é comprimido até uma pressão e temperatura elevadas o suficiente para a combustão ocorra espontaneamente quando o combustível for injetado. Os motores com ignição por centelha são vantajosos para aplicações que requerem até cerca de 225kW(300HP). Como eles são relativamente leves e de baixo custo, os motores de ignição por centelha são particularmente adequados para o uso em automóveis. Os motores com ignição por compressão são normalmente preferidos para aplicações em que se necessita de economia de combustível e potência relativamente alta (caminhões pesados e ônibus, locomotivas e barcos). Na faixa intermediária, tanto os motores com ignição por centelha quanto os com ignição por compressão são utilizados.
Figura 1 – Motor de combustão interna de Ciclo Otto de quatro tempos
Fonte: Portal Mecânica Online (2016).
2.2 Motor diesel
Assim como os motores à gasolina, motores a diesel obtêm energia mecânica a partir da energia química dos combustíveis pela transformação do calor gerado pela combustão em movimento através do ciclo termodinâmico. No entanto, os motores a diesel não necessitam de centelha para iniciar a combustão, que se dá devido à alta taxa de compressão, por conta disso, é classificado como motor de ignição por compressão (ISKANDAR, 2011).
O combustível é injetado diretamente no cilindro um pouco antes do momento em que deve ser dar o início da combustão, misturando-se com o ar comprimido à alta pressão e vindo a queimar. A rotação do motor é controlada pela quantidade de combustível que é injetado a cada ciclo.
Figura 2 – Ciclo de um motor diesel de quatro tempos
Fonte: Brasil Ferroviário (201-?).
2.3 Trocadores de calor
Shah e Sekulic (2003) mostram que trocadores de calor são equipamentos utilizados para efetuar a troca térmica entre duas ou mais fonte, ou seja: entre fluidos, entre uma superfície sólida e um fluido ou entre um fluido e partículas sólidas – desde que estejam em diferentes temperaturas e em contato térmico. No caso em que a troca de energia ocorra entre fluidos, podem ser citados dois tipos de trocadores: aqueles que trabalham com os fluidos em contato direto e os que trabalham separados por uma parede sólida. Nesse último caso, os fluidos encontram-se separados por uma superfície de troca térmica, tais equipamentos são considerados trocadores de transferência direta.
De forma geral, um trocador de calor é composto por elementos de troca térmica (superfície de contato para troca de calor) e por elementos de distribuição de fluido (como tanques e tubulações), sendo que na maioria das aplicações esses elementos encontram-se fixos. Porém, é possível encontrar equipamentos que trabalham com partes móveis (como regenerador rotativo).
A superfície que se encontra em contato direto com ambos fluxos de baixa e alta temperatura é denominada superfície direta e conduz calor entre os fluxos. Também, pode-se acoplar aletas à esta superfície direta para promover o aumento da área de contato térmico. Como consequência da adição de aletas nas superfícies diretas ocorrerá uma diminuição na resistência térmica e um aumento da transferência de calor total para a mesma diferença de temperatura.
Shah e Sekulic (2003) relatam também que devido à grande variedade de trocadores existentes no mercado eles podem ser classificados de acordo com: mecanismos de transferência de energia térmica, número de fluidos envolvidos no processo, tipo de construção, sentido dos fluxos, etc.
2.4 Tipos de trocadores de calor
Na indústria mecânica encontramos diversos tipos de trocadores de calor. Na indústria automotiva o exemplo mais comum é o sistema de arrefecimento do motor, onde a fonte de calor é o motor, que esquenta a água e por suavez transfere calor para o ar fluindo através do radiador.
2.4.1 Radiador
O radiador ilustrado na figura 3 é o componente responsável por fazer a troca de calor do fluido refrigerante do motor como o ar que passa por suas aletas. No sistema de arrefecimento do automóvel ele é instalado na dianteira e conectado por mangueiras ao motor, nesse sistema fechado circula um líquido aditivo ou água que aquece quando passa pelo motor e perde calor quando passa no radiador (ISKANDAR, 2011).
O autor supracitado acima expõe que a troca de calor é feita forçando o ar passar pelas aletas que estão soldadas nos tubos de alumínio que permitem a passagem de ar entre eles retirando o calor do líquido, portanto quanto maior a área de contato com o ar mais rápida é a troca e mais eficiente é o radiador. Para uma boa eficiência, o layout do radiador é muito importante para que o ar circule melhor.
Figura 3 – Sistema de refrigeração de um motor
Fonte: Cultura Mix (2012).
2.4.2 Trocador de calor de placas
Esse tipo de trocador de calor consiste em placas presas em um suporte, o que permite que entre as placas adjacentes formam-se canais por onde os fluidos podem escoar. Uma das vantagens desse tipo de trocador, para a aplicação em relação ao apresentado anteriormente, é que o óleo não precisa sair do motor para ser resfriado. Além disso, o coeficiente de transferência de calor nesse trocador é elevado, e há menor ocorrência de detritos, facilitando a limpeza desse tipo de trocador de calor (GUT, 2003).
Figura 4 - Trocador de calor tipo placas
Fonte: Apema (201-?).
2.4.3 Trocador de calor de quilha
De acordo com Zinther (1982) o Keel Cooler mais conhecido como resfriador de quilha é um trocador de calor externo conectado na parte submersa do casco do barco, onde através do qual a água circula por uma bomba que é acionada pelo motor. O líquido de arrefecimento do motor é circulado através do Keel Cooler, que transfere o calor do líquido de arrefecimento antes de retornar ao motor, esse trocador de calor está em contato constante com a água para transferir calor de forma eficiente. Zinther comenta que esse tipo de resfriador se originou em 1800, quando uma patente foi registrada para um tubo de cobre simples colocado na lateral de um barco para condensar o vapor. O autor supracitado descreve as principais características de um cooler moderno em que a escolha correta do material é primordial para evitar a corrosão entre o cooler e casco subaquático do barco, esta escolha depende em grande parte da natureza das águas em que a embarcação se destina a operar. Os resfriadores de caixa, do tipo usado principalmente na Europa, consistem em placas ou tubos de transferências, montados em uma caixa de mar na lateral do casco e são bem protegidos de danos físicos, embora necessitem de manutenção seguidamente.
Zinther (1982) também menciona que as formas mais avançadas do keel cooler são exemplificadas pelos sistemas impactados fabricados por RW Fernstrum e Company, Jhonson Rubber e Walter Machine. Esses sistemas impactados estão disponíveis em muitos tamanhos para se adequar em diferentes tipos de motores e condições de operação e são mais baratos que os sistemas de refrigeração de canal mais convencionais e requerem muito menos espaço.
Figura 5 - Resfriador de quilha 
Fonte: Marine Link (2019).
3 METODOLOGIA DE CONSTRUÇÃO E FUNCIONAMENTO
Nesta seção será discutido o funcionamento do keel cooler, juntamente com o levantamento de materiais, temperatura de trabalho, manutenção e especificações para projeto.
3.1 Funcionamento do Keel Cooler
O funcionamento desse trocador de calor é praticamente igual ao de um radiador de carro. O líquido de arrefecimento circula pelas galerias do bloco do motor com temperatura acima dos 140°C, com esta temperatura o fluido entra no keel cooler onde acontece a transferência de calor por convecção, fazendo que a temperatura do fluido resfrie até a faixa dos 90°C antes de retornar ao motor (R.W. FERNSTRUM, 2013).
O keel cooler está constantemente em contato com a água, permitindo que o sistema de resfriamento transfira calor de forma eficiente entre o líquido refrigerante e a água do mar na figura abaixo é melhor representado o princípio de funcionamento desse trocador de calor (R.W. FERNSTRUM, 2013).
Figura 6 - Funcionamento do keel cooler
Fonte: Marine Power (2017).
Comparado a um sistema de refrigeração aberto, um sistema de refrigeração fechado oferece várias vantagens distintas. Um sistema de circuito fechado elimina a necessidade de um trocador de calor interno, bombas de água, filtros, tubulação de água do mar e a alta manutenção associada aos sistemas de resfriamento de circuito aberto. Ele também elimina o acúmulo de sal e areia no circuito de resfriamento e protege o sistema contra corrosão da água salgada. O uso de um keel cooler elimina a necessidade de a água do mar entrar no casco. Abaixo listamos algumas de suas principais vantagens, que são:
· O resfriamento de água doce em sistemas de circuito fechado estende a vida útil de cada propulsão, gerador e motor marítimo auxiliar evitando altas manutenções;
· O keel cooler não requer água do mar dentro do casco (ao contrário dos trocadores de calor internos);
· Ele reduz o tempo de inatividade evitando que sal, sedimentos e detritos entrem nas camisas do motor;
· Elimina a necessidade de drenar o sistema de resfriamento em temperaturas de congelamento.
3.1.2 Temperatura de Trabalho
Em um típico motor a diesel, do calor gerado pela combustão, cerca de 30% é transformado em energia em forma de trabalho mecânico, 30% é expelido junto aos gases de exaustão, 10% é irradiado naturalmente, restando então 30% que é transferido para o sistema de refrigeração que precisa ser dissipado (SCANNIA, 2015).
Este sistema fechado de refrigeração tem como fluido de trabalho uma mistura anticongelante tipicamente de água. Este tipo de fluido trabalha a uma temperatura de funcionamento considerada ideal entre 80 e 90 graus celsius. O keel cooler é o responsável por manter o sistema estável, retirando o calor das partes mais quentes, entre as galerias do bloco do motor, e dissipando o excesso na sua parte fria (SCANNIA, 2015). 
3.1.3 Pressão de Trabalho
A densidade do fluido anticongelante no interior do sistema diminui quando sua temperatura é elevada. Isto faz com que o volume aumente cerca de 3% para uma mesma quantidade de fluido e para que não ocorra o transbordamento, é necessária a utilização de um tanque de expansão acoplado no conjunto (SCANNIA, 2015). 
3.1.4 Fenômenos térmicos
· Convecção:
· Modo de transferência entre fluidos e a superfície sólida;
· A intensidade é função do fluido, do movimento relativo da diferença de temperaturas;
· No motor a convecção é forçada, em regime turbulento, pois existe bombeamento dos fluidos;
· Depende de relações empíricas específicas para cada tipo de escoamento e geometria;
· É o modo de transferência de calor entre os gases e líquidos e os tubos dos componentes do keel cooler.
Dados pela seguinte equação para convecção (INCROPERA, 2014), onde:
h = Coeficiente de transferência de calor por convecção
= temperatura da superfície da parede sólida 
= temperatura média do fluido
O Subscrito c = fluido de resfriamento (água ou ar)
· Condução:
· Transferência de calor causada naturalmente pela diferença de temperaturas entre regiões de um mesmo meio. Neste caso entre o fluido e a parede interna da tubulação, e entre a parede externa do tubo e a água do mar;
· A forma mais utilizada para relacionas essas grandezas, é através da Lei de Fourier.
Para tubos essa lei é apresentada na forma de equação (INCROPERA, 2014), como mostrado abaixo:
Onde: 
Q= Fluxo de calor
 k= Condutividade térmica 
= temperatura da superfície da parede sólida 
= temperatura média do fluido
L= Comprimento do tubo
r1= Raio interno do tubo 
r2= Raio externo do tubo
3.2 Parâmetros de projeto
O limite máximo da temperatura da água do motor é controlado pelo tamanho do keel cooler. A taxa de transferência de calor depende diretamentedo fluido refrigerante, da vazão desse fluido e da área superficial de transferência de calor. Deve-se levar em conta também o tipo de aplicação do motor em que vai esse trocador, por exemplo, poderá ser para um sistema de emergência no qual o navio que está no porto, deverá trocar calor com a água enquanto está parado. Materiais utilizados na construção, e condições nas quais a embarcação irá operar são importantes para a definição do tamanho do trocador (CATERPILLAR, 2017).
Gráfico 1 - Gráfico que mostra a área em função da temperatura da água do mar e da velocidade do barco.
Fonte: Caterpillar (2017).
Já que os materiais utilizados na fabricação do trocador de calor devem ser compatíveis com o casco do navio, para a prevenção da corrosão galvânica. Essa corrosão é causada quando metais diferentes entram em contato elétrico através de uma solução eletrolítica. Para prevenir de isso acontecer deve-se utilizar o mesmo material do casco para a produção das tubulações. Utilizando a ideia de keel coolers feitos em aço estrutural, para não ocorrer a corrosão galvânica, agora se procura saber as resistências térmicas do sistema, os filmes interno e externo, os fatores de corrosão da superfície (baseados em água doce tratada e água de rio poluída), o coeficiente de transferência da água doce dentro do cooler, o coeficiente de transferência da água onde o barco está navegando (que é em função da velocidade do barco). Vários fatores ficam tão predominantes na resultante da taxa de transferência de calor que o material usado e a espessura do mesmo, se tornam menos preocupantes (CATERPILLAR, 2017).
Durante os anos de operação, ocorre a deterioração das superfícies com sujeiras, corrosão, cavidades, ferrugem e elas reduzem a eficiência do trocador de calor. Pode levar de 4 a 5 anos para que a deterioração se estabilize, então para continuar com uma boa eficácia ao longo dos anos, todos keel coolers devem ser consideravelmente superdimensionados. Com todos esses fatores, ainda deve-se levar em conta o lugar onde se deseja navegar, por exemplo, um motor com deterioração, não poderá navegar em áreas tropicais, onde a água do mar e dos rios fica acima de 30 ºC. Nessas regiões geralmente se usam um grupo de coolers, que trabalham com mais área superficial, feitos de materiais resistentes à corrosão (CATERPILLAR, 2017).
4 ANÁLISES E RESULTADOS
Sabendo que necessitamos ter conhecimento de alguns parâmetros para identificar qual trocador de calor se adequa melhor a aplicação que buscamos, um deles é identificar qual fluido refrigerante será usado. Em uma análise em motores à diesel na questão sobre fluidos refrigerantes, é necessário saber o calor rejeitado pelo motor nas condições em que se encontra. Então tem-se:
O calor total produzido pelo sistema pode ser a soma de todos os calores produzidos pelas diferentes partes do sistema, aplicando as devidas tolerâncias. Tem-se o calor rejeitado que é o calor total produzido pelo sistema em cada volta, aumento de temperatura que é a variação de temperatura do fluido refrigerante entre a saída e a entrada, densidade e calor específico, que são propriedades físicas do fluido. Calculando tem-se a vazão em litros por minutos requerida do sistema. Abaixo alguns dos fluidos refrigerantes mais utilizados e suas propriedades (CATERPILLAR, 2017).
Quadro 1- Propriedades físicas dos fluidos refrigerantes
Fonte: Caterpillar (2017).
O calor total produzido pelo sistema pode ser a soma de todos os calores produzidos pelas diferentes partes do sistema, aplicando as devidas tolerâncias. Tem-se o calor rejeitado que é o calor total produzido pelo sistema em cada volta, aumento de temperatura que é a variação de temperatura do fluido refrigerante entre a saída e a entrada, densidade e calor específico, que são propriedades físicas do fluido. Calculando tem-se a vazão em litros por minuto requerida do sistema. Abaixo alguns dos fluidos refrigerantes mais utilizados e suas propriedades (CATERPILLAR, 2017). 
Quadro 2 - Velocidade recomendada para seções do circuito
Fonte: Caterpillar (2017).
Tem-se então os dados para tubos pressurizados, tubos pressurizados com parede fina, sucção da bomba (entrada) e zonas de desaceleração respectivamente.
Em relação ao fluido refrigerante, cerca de 50% das falhas nos motores tem relação com a falta de manutenção no sistema de refrigeração. A escolha do fluido e a correta manutenção do sistema prolongam a vida útil do trocador. Um bom fluido refrigerante/anticongelante deve conter: uma adequada taxa de transferência de calor, compatibilidade com a tubulação, proteção contra cavitação na bomba, erosão, congelamento, ebulição, acúmulo de corrosão, lama e formação de cascas (CATERPILLAR, 2017).
4.1 Comparativo entre o keel cooler e radiador
Quadro 3 - Comparativo entre keel cooler e radiador
	
	Keel Cooler
	Radiador 
	
Fator convectivo
	Nesse caso o ele depende da água na qual a embarcação está navegando.
	O radiador depende do ar onde o fator é menor que o da água
	Sistema
	fechado
	fechado
	
Fluido
	Depende de lugares em que a embarcação estiver velejando, em caso de lugares frios é utilizados fluidos anticongelantes
	O fluido é a água deionizada ou destilada que geralmente são utilizadas as duas para haver reação com a tubulação
	Materiais
	Geralmente são feitos de cobre ou bronze
	Normalmente são feitos de alumínio
Fonte: próprios autores (2020).
O radiador assim como o keel cooler possui um sistema fechado onde o líquido aquece quando passa pelo motor e perde calor quando passa no radiador. No caso do keel cooler, o líquido que sai do motor é resfriado quando entra na quilha que está em contato com a água fazendo com que o fluido refrigerante troque calor e depois disso ele retorna para o motor, ou seja, no caso de um radiador, a principal fonte que faz o líquido esfriar é ventoinha e o keel cooler é onde a quilha está submersa.
REFERÊNCIAS
CARDOSO, M. Y.; JUSTI, G. H.; LOPES, G. Estudo numérico e teórico da perda de carga em um trocador de calor de duplo tubo para condições isotérmicas e de regime permanente., p. 3143-3149 . In: Anais do XIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica. São Paulo: Blucher, 2019.
CATERPILLAR. Cooling Systems: Application & Installation Guide. Peoria: Caterpillar, p. 128, 2017.
CICLO DO MOTOR DIESEL COM SISTEMA DE 4 TEMPOS - COMO FUNCIONA? Cultura Mix, 2013. Disponível em: < https://autos.culturamix.com/mecanica/ciclo-do-motor-diesel-com-sistema-de-4-tempos-como-funciona >. Acesso em: 10 dez 2020.
DA SILVA, M.; KONRATH, R. Dimensionamento de um trocador de calor com a reutilização do ar quente de digestores. Revista Tecnológica / ISSN 2358-9221, [S.l.], v. 9, n. 1, p. 164 - 185, maio 2019. 
DIAS, T. Mecânica em Dias - O motor de combustão interna. Mecânica Online, 2016. Disponível em: < http://mecanicaonline.com.br/wordpress/2016/02/10/coluna-mecanica-em-dias-o-motor-de-combustao-interna/ >. Acesso em: 9 dez 2020.
EVARISTO, L. Motor Diesel (Básico). Brasil Ferroviário, 201-?. Disponível em: < https://www.brasilferroviario.com.br/motor-diesel/ >. Acesso em: 9 dez 2020.
GUO, Z. Y.; ZHOU, S. Q.; LI, Z. X.; CHEN, L. G. Theoretical analysis and experimental confirmation of the uniformity principle of temperature difference field in heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, n. 45, p. 2119-2127, 2002.
GUT, J. A. W. Configurações ótimas para trocadores de calor a placas. São Paulo, 2003.
HOW IT WORKS? Marine Power Solutions, 201-?. Disponível em: < http://marine-power-solutions.com/how.html >. Acesso em: 11 dez 2020.
INCROPERA, F.; DEWITT, D.P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, 7ª ed., Rio de Janeiro: LTC, 2014.
INSIGHTS: SEAN FEARNSTRUM, PRESIDENTE, RW FERNSTRUM. Marine Link, 2019. Disponível em: < http://pt.marinelink.com/news/insights-sean-fernstrum-presidente-fernstrum-289397 >. Acesso em: 10 dez 2020.
ISKANDAR, M. A. Análise e projeto de um sistema de controle de arrefecimento de um motor Diesel, visando à redução das emissõese consumo de combustível / Marco Antonio Iskandar. --Campinas, SP: [s.n.], 2011
 
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios da termodinâmica para engenharia. 4. Ed. Rio de Janeiro, 2002.
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SCANNIA. Cooling system: marine engines DI09, DI13, DI16. Södertälje, Sweden: Scannia, p. 32, 2015.
SHAH, R. K.; SEKULIC, D. P., Fundamentals of Heat Exchanges Design. New Jersey: John Wiley & Sons, 2003.
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ZINTHER, T. The cool facts about keel cooling. British Maritime Technology. Holland Shipbuilding, p.47. 1982.