Тепловая и ядерная энергия

Лабораторная работа №2

Использование различных видов энергии для движения судна».

Три группы, объединяющие виды энергии, используемой для движения судна.

Для движения судна используются различные виды энергии, которые можно объединить в три группы:

I. Сила течения рек, сила ветра, мускульная сила человека и животных. Судоходство начиналось и, ограниченно, продолжается сегодня при использовании этих источников энергии.

II. Тепловая энергия, выделяемая при сжигании различных видов топлива. Создание ЭУ с тепловым двигателем неразрывно связано использованием тепловой энергии. Для обеспечения работы ЭУ в течение определенного времени на судах размещается необходимое количество твердого, жидкого и газообразного топлива. К этим источником тепловой энергии в середине XX века добавилось использование ядерной энергии.

III. Вторичная энергия. Работа некоторых главных ЭУ осуществляется за счет электрической энергии и энергии давления рабочего тела. Получение вторичных видов энергии связано с предварительным использованием тепловой энергии.

Течение, мускульная сила, ветер.

Течение.Первым природным источником энергии, используемым для движения плавсредств, было течение реки. Эта сила используется для транспортировки различных грузов (леса в виде плотов или барж-белян одноразового применения, грузоподъемность таких барж достигла нескольких тысяч тонн).

Широко применялся завозной способ, при котором используется течение реки для для движения судна вверх по течению.

8 сентября 1782 г. талантливый механик Иван Кулибин демонстрировал в Петербурге на Неве «водоходное судно». Движение судна происходило за счет подтягивания на канате с якорем, предварительно завезенным на шлюпке вверх по реке. Канат наматывался на барабан, связанный зубчатой передачей с бортовыми лопастными колесами, которые вращались течением реки. Попеременное использование двух завозимых вперед по курсу якорей обеспечивало движение судна против течения реки. За сутки судно с грузом около 60 т. проходило до 20 верст. «Водоход Кулибина» был продан на слом в 1808 г.

14 июля 1969 г. исследовательский подводный аппарат «Бен Франклин» с экипажем из 6 человек погрузился в районе Палм- Бич (штат Флорида, США) и, используя энергию течения Гольфстрим, через месяц всплыл в районе Голифакса (Канада), пройдя «внутри» течения примерно 1500 миль на глубине 200-600 м.

Мускульная сила

Для управления движением первых плавсредств понадобился шест, который на глубокой воде постепенно преобразовался в весло. Гребные суда получили широкое распространение. Тысячелетия основу военных флотов составляли триеры, развивающие скорость хода 8 узлов.

Одну из последних в мире галер- «Буцентавр» уничтожили в 1798 г. наполеоновские солдаты.

Достаточно широкое распространение на реках получил завозной способ движения, при котором вперед по курсу завозился якорь.

Якорный канат выбирался на судне шпилем, вращаемым матросами или животными, а позже - паровой машиной. Движение судна происходило «подачами».

В России на Нижегородской верфи с 1753 г. строились суда с завозным способом дви­жения, у которых шпиль вращали лошади.

Движение первых подводных лодок производилось усилиями экипа­жа. Подводная лодка «Черепаха» - изобретатель Давид Бушнелл (США) двигалась в горизонтальном и вертикальном направлениях при вра­щении соответствующего гребного винта вручную. ( Водоизмеще­ние подлодки около одной тонны, испытания проходили в 1775 г.)

В 1834 г. генерал-адъютант Карл Шильдер в Петербурге по­строил подводную лодку, движение которой обеспечивали четыре матроса посредством двух пар гребков в виде утиных лап.

В 1876 г. российский изобретатель Джевецкий в Одессе построил одноместную подводную лодку длиной около 5 м с педальным, как у велосипеда, приводом гребного винта. Данное техническое решение оказалось удачным и получило дальнейшее развитие на некоторых подводных лодках.

За многие века человечество создало огромное разнообразие конструкций судов раз­личного назначения, использующих для движения мускульную силу человека.

Ветер

В Нубийской пустыне найден наскальный рисунок, которому восемь тысяч лет, с изображением парусного судна. В древние времена люди использовали силу ветра как источник энергии, чтобы заставить судно двигаться, пользовались парусами.

Паруса имели большое значение для развития судостроения. В течение нескольких столетий они оставались основным движущим средством судов, паруса позволили людям отправиться в далекое плавание на поиски новых торговых путей.

Одним из названий парусов в древней Руси было «ветрила», парусное судно называли «выжиматель ветров».

Чтобы меньше зависеть от капризов ветра, мореплаватели научились лавировать, т.е. ходить галсами (зигзагами) против ветра.

В XIX в. парусное судостроение в России достигло наивысшего развития. Общая площадь парусов на клиперах, например, достигала 3400 м .

Труднее было пользоваться парусами на реках, поэтому впервые появились речные суда с механическими двигателями, позже постепенно были вытеснены паруса и в морском судоходстве.

Но история паруса на этом не заканчивается, а судостроители не забывают о могуществе старого друга мореплавателей –ветре.

По более поздним сведениям энергию ветра с помощью роторных движителей использовал немецкий инженер Антон Флеттнер (1885-1961). Он воспользовался известным с 1852 г. «эффектом Магнуса», установленным берлинским физиком Густавом Магнусом.

В 1926 г. А. Флеттнер установил три цилиндрических ротора диаметром 4 м и высотой 17 м на палубе судна «Барбара», водоизмещением 2800 т.

Роторы вращались электродвигателями мощностью 26 кВт, которые питались от дизель-генераторов. При скорости ветра 12-15 м/с судно развивало скорость хода до 9 уз. Общая площадь роторов составляла 10% от площади парусов такой же эффективности. При необходимости (безветрие, маневри­рование, авария) для движения использовалась одновальная дизельная энергети­ческая установка мощностью 1020 л.с., обеспечивающая скорость хода до 10 уз.

В двадцатых годах XX в голландец Флеттер предложил оригинальный способ использования силы ветра для движения судна- так называемые роторные движители.

Судно, снабженное роторными движителями, издали напоминает старинный трехтрубный пароход. Только трубы-роторы значительно выше и толще обычных дымовых труб. Под действием электродвигателей небольшой мощности роторы все время вращаются. При этом они увлекают частицы воздуха, сообщая им определенную скорость. В результате с одной стороны ротора скорость движения воздуха увеличивается, а с другой уменьшается. Следовательно, давление воздуха на ротор будет разным, а появившаяся при этом неуравновешенная сила будет двигать судно в нужном направлении.

Другую конструкцию ветродвижителя, использующего «эффект Магнуса», под назва­нием «Турбопарус Кусто», разработали французский океанограф Жак Ив Кусто и профессор Л. Малавар. Два турбопаруса Кусто высотой 10,2 м и осями эллипса 2,05 и 1,35 м установлены на экспериментальном судне «Алкиона» водоизмещением 65 т, построенном в 1985 г. во Франции.

Отсос воздуха производился электровентилятором мощностью 9 кВт. При ско­рости ветра 13 м/с судно развивает скорость хода 15 уз. На длительных переходах ветродви-жители экономят до 35% топлива дизельной энергетической установки.

В 1959 г. конструктор Баркла (Шотландия) предложил проект пассажирского судна, движущегося при помощи газовых турбин и парусов.

Корпус этого оригинального судна установлен на четырех управляемых подводных поплавках. Над корпусом возвышаются 2 «паруса» из легкого металла, напоминающие сложенные крылья самолета. Сверху паруса соединены перемычкой – площадкой, на которой установлен радиолокатор. Гребные винты судна работают от электродвигателей, получающих ток от двух газотурбогенераторов, расположенных в основании парусов.

Поиски возможных путей использования энергии ветра в современном судостроении продолжаются.

Неисчерпаемые запасы «даровой» энергии ветра, ее абсолютная экологическая чистота по-прежнему привлекают судостроителей к этому источнику. Сегодня применяются более качественные искусственные материалы для парусов, а их уборка про­изводится современными техническими средствами без физических усилий экипажа.

Два складываю­щихся паруса общей площадью 194,4 м2, в дополнение к дизель­ной энергетической установке мощностью 1600 л.с, установле­но на танкере во­доизмещением 2220 т, построен­ном в 1980 г. в Японии. При ско­рости ветра 16,7 м/с танкер раз­вивает скорость хода до 15 уз. Управление парусами произво­дится бортовым компьютером с помощью гидравлических приводов.

В июле 2000 г. в первый круизный рейс по Средиземному морю от­правилось пятимачтовое парусное суд­но «Роял клипер» дед­вейтом 857 т, построенное на голландской верфи. Парусное вооружение общей площадью 5050 м2 обеспечило судну скорость хода до 20 уз. При без­ветрии и маневрировании ход судна со скоростью до 13,5 уз обеспечивают два дизеля фирмы «Caterpiller» мощностью по 1865 кВт

и подруливающее устройство.

Строительство судов аналогичной конструкции продолжается. По-прежнему во всех странах мира применяются парусные суда для учебных, спортивных, туристических и дру­гих целей.

Тепловая и ядерная энергия

Начало использования тепловой энергии для движения судна в XVIII в. ознаменовало начало строительства судов с энергетическими установками, которое интенсивно продолжа­ется сегодня. Тысячелетия тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, использо­валась для обогрева, приготовления пищи, освещения. Только около четырехсот лет тому назад человек начал использовать тепловую энергию для выполнения механической работы.

Работа судовых энергетических установок сопровождается сжиганием твердых, жид­ких или газообразных видов топлива как природного происхождения (дрова, уголь, нефть, природный газ), так и искусственного (кокс, угольные брикеты, бензин, мазут и многие дру­гие). Технология использования тепловой энергии зависит от принципа работы двигателя.

Для работы паровых машин и паровых турбин требуется водяной пар определённой температуры и давления, производство которого происходит при сжигании топлива в паро­вых котлах или в специальной паропроизводящей установке (ППУ) с использованием ядер­ной энергии.

Благодаря своей доступности, дрова стали первым природным источником тепловой энергии для обеспечения работы судовой энергетической установки. Паровые котлы первых пароходов имели дровяное отопление. Малая плотность древесины и низкая теплота сгорания (ок 2200 ккал/кг)

Предопределяли большой расход дров и, как следствие, частую бункеровку судов.

Каменный уголь как топливо упоминал Аристотель в IV в. до нашей эры.

Внедрение угольного отопления паровых котлов вместо дровяного на пароходах шло с задержками из-за удорожания строительства и эксплуатации судов. Однако огромные миро­вые запасы каменного угля, его большая плотность и высокая теплота сгорания (около 6500 ккал/кг) предопределили вытеснение дровяного отопления. Но еще продолжительное время на некоторых пароходах ранней постройки уголь служил только дополнением к дровя­ному отоплению паровых котлов.

Семьдесят пять тонн каменного угля и большое количество дров имел на борту паро­ход «Саванна» («Savannah») водоизмещением 325 т - первое судно с паросиловой установкой,

пересекшее Атлантический океан. Как «День мореплавания» отмечают в Америке 22 мая 1819 г., когда «Саванна» вышла из Нью-Йорка в Ливерпуль.

Обеспечение работы паропроизводящей установки с угольным отоплением сопровож­далось тяжелейшим ручным трудом кочегаров. Кроме подачи угля в топки паровых котлов, еще требовалось каждые 3-4 ч убирать с колосниковых решеток шлак, вес которого состав­лял 40-50% от сгоревшего угля.

Твердое агрегатное состояние, высокая зольность и склонность к самовозгоранию ус­ложняют эксплуатацию энергетических установок с угольным отоплением паровых котлов. Некоторые вопросы повышения эффективности использования каменного угля на судах ре­шаются за счет его гранулирования и брикетирования, создания специальных устройств, облегчающих механизацию процесса отопления паровых котлов.

Раскопки на берегах Евфрата свидетельствуют о том, что уже 4-6 тысяч лет назад нефть использовалась в качестве топлива для бытовых целей.

Удобство механизации процессов транспортировки и сжигания жидкого топлива, вы­сокая теплота сгорания (около 10 000 ккал/кг) предопределили использование на судах неф­ти вместо каменного угля. Нефть, а затем мазут для отопления паровых котлов начали применять в конце XIX в. Первоначально из-за несовершенства конструкции паро­вых котлов происходило неполное сгорание топлива, сопровождавшееся обильным дымле­нием и выделением сажи.

В 1865 г. российский изобретатель А.И. Шпаковский предло­жил конструкцию форсунку, обеспечивающую качественное сжи­гание нефти и мазута в распыленном виде, распыление топлива производилось паром.

В настоящее время создано большое количество форсунок разнообразных конструк­ций, обеспечивающих качественное сжигание жидкого топлива в топках паровых котлов.

Продолжительное время нефтяное отопление паровых котлов совмещалось с уголь­ным и включалось только при форсированном режиме работы энергетической установки.

Хранение и использование жидкого топлива на судне потребовало специальных цис­терн, новых систем и устройств, специальной подготовки кочегаров. Нововведения не всегда завершались успешно.

Определенное влияние на интенсивность внедрения жидкого топлива на судах оказы­вали нефтепромышленники, заинтересованные в увеличении объемов сбыта своей продук­ции. На речных судах отопление паровых котлов нефтью вместо дров давало значительный экономический эффект и уменьшало вырубку леса.

К источникам тепловой энергии в середине XX в. добавилось использование ядерной энергии.

Под ядерной или атомной энергией подразумевают энергию, получаемую при делении ядер тяжелых элементов.

В качестве ядерного топлива для судовых энергетических установок применяют изо­топ «уран-235», энергия которого, получаемого из одного грамма, эквивалентна тепловой энергии получаемой при сжигании 1,6 т дизельного топлива или 2,7 т каменного угля.

Огромная концентрация энергии в ядерном топливе, отсутствие необходимости в кис­лороде при её использовании и исключение частых бункеровок весьма привлекательны для судостроителей, особенно для создателей подводных лодок и судов с практически неограни­ченным районом плавания. Основное преимущество - практическое отсутствие на судне запасов топлива.

Группа конструкторов отдела ВМС США летом 1946 г. начала работу над про­ектом атомной подводной лодки, закладку которой произвели 14 июня 1952 г. «Наутилус» реактор диаметром 2,7 м, гой 3,0 м, содержал 100 кг ядерного топлива обогащенного до 20% изотопом «уран-235». в СССР первая АЭУ включала два водо-водяных реактора и два парогенератора, она была установлена на подводной лодке «К-3» пр. 627 «Ленинский комсомол». 3 июля 1958 г. «К-3» вышла в море на ходовые испытания. Ядерные реакторы тепловой мощностью по 70 МВт на тепловых нейтронах с парогенераторами паропроизводительностью пара 180 т/ч t=310˚C и Р=32 кгс/см ,обеспечивали работу двух турбин суммарной мощностью 35 000 л.с.

Параллельно со строительством подводных лодок велось проектирование и строительство надводных судов с АЭУ. Первым таким судном стал ледокол «Ленин», построенный в 1959 г. Адмиралтейским судостроительным заводом в Ленинграде.

Вторичная энергия.

Работа некоторых главных энергетических установок осуществ­ляется за счет электрической энергии и энергии давления рабочего тела. Следует отметить, что получение вторичных видов энергии связано с предварительным использованием тепло­вой энергии.

Электрическая энергия.

Началу использования электрической энергии для движения судна предшествовала длительная история создания работоспособных источников электрической энергии и электрических двигателей.

СЭУ некоторых типов судов (буксиров, ледоколов) должны быть повышенной маневренности, устойчиво работать при малых нагрузках, выдерживать многочисленные реверсы и т.п.

Для таких судов часто используют систему электропередачу. Принцип работы этой системы заключается в том, что двигатель (дизели или турбины) приводят в движение не гребной винт, а электрические генераторы. Выработанный генераторами электрический ток подается в гребные электродвигатели, устанавливаемые в кормовой части судна. Простота и легкость регулирования числа оборотов гребного электродвигателя позволяют осуществить его работу на наиболее выгодных режимах для гребного винта.

В качестве источника электроэнергии дл движения судна применяют агрегаты из генератора с первичным теплым двигателем и аккумуляторы.

Возможность преобразования механической энергии в электрическую установил английский физик Майкл Фарадей, создавший в 1832 г. первый в мире простейший электрический генератор.

Идея создания судна-электрохода и первое ее практическое осуществление принадлежит России. Осенью 1838 г. русский академик Якоби продемонстрировал на Неве первый в мире электроход. Это была обычная лодка, движущаяся при помощи гребных колес. Передача к колесам была осуществлена от электродвигателя, который получил ток от гальванической батареи. Лодка двигалась со скоростью 2,7 км/ч.

Энергия давления.

С древних времен для различных целей используется энергия давления, или упругост-ная энергия. Уже в III в. до новой эры Ктесибий в Александрии основал школу механики, в которой занимались проблемами практического применения энергии сжатого воздуха и дав­ления жидкости.

Воспользоваться энергией давления жидкости или газов для движения судна стало возможным только после создания тепловых двигателей. В обоих случаях создание давления рабочего тела сопровождается дополнительным преобразованием тепловой энергии, умень­шающим величину КПД главной энергетической установки.

Применение насосного агрегата в составе главной энергетической установки для дви­жения судна связано с изобретением водометного движителя.

В 1782 г. американский изобретатель Джеймс Рэмси (Ramsay; 1743-1792) построил на реке Потомак пассажирский паром, у которого паровая машина ныокоменского типа с порш­невым насосом обеспечивала работу водометного движителя. Низкий КПД и пульсирующая подача воды насосным агрегатом задержали строительство судов с аналогичными энергети­ческими установками.

В 1839 г. эдинбургский механик Рутвен установил на шлюпке паровую машину с цен тробежным насосом для обеспечения работы водометного движителя. Равномерная подач воды насосным агрегатом избавила экипаж и пассажиров от пульсирующих нагрузок, свой­ственных парому Рэмси. Несмотря на низкий КПД, энергетические установки конструкции Рутвена получили в мире некоторое распространение.

В начале XIX в. начали применять объемные насосы для обеспечения работы различных палубных механизмов с гидроприводом. Объемные насосы, создающие в системе давление, для обеспечения работы гидравлического гребного двигателя с движителем начали применять на некоторых судах только после Второй мировой войны.

В поисках двигателя, обеспечивающего движение подводной лодки в подводном поло­жении без связи с атмосферой, внимание изобретателей привлекла энергия сжатого воздуха. Необходимый для работы пневматических двигателей сжатый воздух предварительно нагне­тался компрессором в баллоны в надводном положении.

Первый проект подводной лодки с пневматическим двигателем и запасом сжатого воз­духа представил Морскому ученому комитету в октябре 1855 г. офицер российского флота Н. Н. Спиридонов. Проект не был реализован из-за отсутствия необходимых для энергети­ческой установки технических средств.

Возможность использовать сжатый воздух для движения судна изложил механик Сте­пан Иванович Барановский в статье «Духовая сила, как движитель» журнала «Морской сборник» № 4 за 1859 г. Для наполнения баллонов сжатым воздухом он разработал конструкцию «воздухосжимателя» (компрессора).

Создание двигателей внутреннего сгорания, гребных электродвигателей и аккумулято­ров, а также малая дальность плавания в подводном положении, низкий КПД и высокая следность остановили дальнейшие работы по использованию энергии сжатого воздуха для движения подводной лодки.

Использование энергии сжатого воздуха для движения надводного судна связано с со­зданием газоводометного движителя в середине XX в.

Который изобрел в 1863 г. российский инженер Плесцов. По замыс­лу Плесцова, ускорение потока воды в канале водометного движителя должно происхо­дить за счет подачи пара из специального парового котла.

Создание судов на воздушной подушке расширило функции главной энергетической установки, дополнив их подачей сжатого воздуха под днище судна. Полный или частичный подъем корпуса из воды на воздушной подушке позволил увеличить скорость судна без по­вышения мощности энергетической установки.

В 1927 г. российский ученый Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935) опуб­ликовал труд «Сопротивление воздуха и скорый поезд», в котором дал научное обоснование принципу движения на воздушной подушке.

Широкомасштабное строительство судов на воздушной подушке развернулось во вто­рой половине XX в.

Один центробежный нагнетатель с дизелем установлен на речном пассажирском судне «Баргузин» пр. 19591, построенном Сосновским судостроительным заводом в 1990 г. по проекту ЦКБ «Вымпел». Давление воздуха в подушке, образованной бортовыми с кегами и гибкими ограждениями в носу и в корме, обеспечил дизель «7Д12А» (12ЧН 15/18) мощностью 300 л.с. при частоте вращения коленчатого вала 1500 об/мин с центробежным нагнетателем конструкции НПО «Винт».

Нагнетатели по опыту строительства судов на воздушной подушке потребляют 30-35% мощности главной энергетической установки.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить материалы лекции и указанной литературы.

2. Ответить на контрольные вопросы:

- на какие три группы делятся виды энергии, используемой для движения судна;

- почему СЭУ называются теплосиловыми;

- что является первым природным источником для движения плавсредств, примеры использования данного источника;

- каким образом происходило движение «водоходного судна» Ивана Кулибина;

- привести примеры использования мускульной силы для обеспечения движения плавсредств;

- примеры использования силы ветра, как источника энергии для движения судна;

- какой факт связан с началом строительство судов с энергетическими установками;

- перечислить природные и искусственные источники тепловой энергии;

- какие недостатки усложняют эксплуатацию ЭУ с угольным отоплением котлов;

- какие достоинства предопределили использование на судах нефти вместо угля;

- какие недостатки происходили первоначально при сжигании нефти и каким образом изобретатель Шпаковский их устранил;

- к источникам какого вида энергии относится ядерная энергия. Ее основные достоинства;

- первые корабли и суда с АЭУ в СССР;

- что такое вторичная энергия, с чем связано ее появление;

- кто и когда создал первый в мире электрогенератор;

- какой агрегат используют в качестве источника электроэнергии для движения судна;

- кому принадлежит идея создания судна-электрохода;

- при каких условиях стало возможным воспользоваться энергией давления жидкостей или газов для двигателя;

- с созданием какого движителя связано использование энергии сжатого воздуха для движения надводного судна;

- на основании какого научного обоснования созданы суда на воздушной подушке.

Литература:

В.И. Татаренков «История судовых средств движения» стр. 6÷23, 36÷49