CLDRI NAVALE I MAINI DE FOR CU ABURCURS NR.1 INSTALAIA DE FOR CU ABURI LA BORDUL NAVELOR MARITIME Generaliti : Rolul instalaiilor de for la bordul navelor este acela de a pune n micare propulsoarele, care realizeaz fora necesar deplasrii navei prin ap. Avnd n vedere faptul c, mainile principale de propulsie se difereniaz ntre ele, din punct de vedere al principiului de funcionare, putem clasifica instalaiile navale dup cum urmeaz: instalaii de for cu abur; instalaii de for cu motoare cu ardere intern; instalaii de for cu turbine cu gaze; instalaii de for cu motoare electrice; atomice. innd cont de faptul c fiecare dintre instalaiile de for enumerate au att avantaje ct i dezavantaje, alegerea lor se face funcie de tipul navei, deplasamentul i destinaia acesteia. n epoca actual cea mai larg folosin au cptat-o instalaiile de for cu motoare cu ardere intern. Cu toate acestea, att n marina comercial ct i n cea militar, instalaiile de for cu aburi au o larg rspndire. n general, instalaiile de for cu abur au o component simpl i, n linii mari, sunt formate din: cldri i/sau turbine cu aburi, mecanisme, aparate i instalaii auxiliare de servitudine. Schema de principiu este prezentat n fig.1.

Dispunerea instalaiei de for cu abur, la bordul navei, poate fi fcut dup cum urmeaz: a) - liniar - atunci cnd cldrile sunt dispuse n prova mainilor de propulsie;

b) - ealonat - cnd un anumit numr de cldri sunt dispuse n prova unei maini de propulsie, i sunt urmate de un alt numr de cldri care alimenteaz o main de propulsie dispus dup aceasta; c) - mixt - cnd cldarea i maina de propulsie sunt dispuse n acelai compartiment; d) - combinat cnd instalaia de for are n componen att maini cu abur ct i motoare cu ardere intern sau turbine cu gaze. Consideraii termodinamice privind procesul de producere a aburului Una din strile de agregare a apei este starea gazoas sub form de abur. Aburul se obine ca urmare a desfurrii a dou procese de transformare termodinamic, i anume: evaporarea i vaporizarea. Evaporarea constituie procesul de transformare a apei n vapori la suprafaa lichidului. Micarea brownian a particulelor de ap este caracterizat de variaia n modul i sensul vitezei lor, astfel nct unele prsesc apa, trecnd n spaiul liber (cele cu viteze mari), iar altele se transform din nou n ap. Procesul variaz direct proporional cu temperatura fluidului i cu suprafaa expus mediului exterior. Vaporizarea constituie procesul de transformare a apei n vapori n toat masa fluidului. Apar bule de abur n masa fluidului, caracterizate prin micri violente la suprafaa de separaie fluid aer, numit oglind de vaporizare, iar o parte din aceste bule trec n spaiul de abur. Procesul de vaporizare se desfoar la o presiune constant i poate fi descris n diagrama V prezentat n fig. 2 .

Curba AK se numete curba lichidului sau curba limitat inferioar i curba BK se numete curba aburului saturat uscat sau curba limitat superioar. Punctul K se numete punct critic, caracteriznd parametrii la care fluidul trece instantaneu n abur supranclzit Punctul 1 desemneaz nceperea procesului de nclzire a fluidului pn la temperatura de fierbere. Punctele 2 i 3 desemneaz apariia primilor vapori. n punctul 4 apare aburul saturat umed, coninnd picturi fine de fluid antrenate de vapori. Ca urmare a creterii temperaturii, picturile de fluid din abur se vaporizeaz, formnd aburul saturat uscat. n punctul 5 apare aburul supranclzit care nu mai conine picturi de ap i care pentru o aceeai presiune prezint o temperatur mai mare dect aburul saturat din punctul 6. n aceast diagram de vaporizare intervine noiunea termodinamic de titlu , care poate fi interpretat ca prezentnd greutatea aburului uscat dintr-un kg de abur umed. Procesul de transformare a cldurii n lucru mecanic se realizeaz prin intermediul unei instalaii de for cu abur. Schema de principiu a unei astfel de instalaii este redat n fig. 3:

Procesul se caracterizeaz prin urmtoarele etape de lucru: cldarea este alimentat cu ap de ctre pompa 1, apa se nclzete, se vaporizeaz, aburul transformndu-se treptat din abur saturat umed n abur saturat uscat; aburul saturat uscat intr i se destinde n cilindrul mainii cu abur 3, producnd lucru mecanic, dup care iese din cilindru, intr n condensatorul 4, avnd pereii reci i ncepe s se condenseze. Apa rezultat din procesul de condensare este preluat de pompa 1 i refulat la volum constant, dup care ciclul se repet. Acest ciclu este cunoscut sub denumirea de ciclul Rankine. Cldarea naval generator de aburi Cldarea naval este un schimbtor de cldur unde are loc nclzirea si/sau vaporizarea apei, la presiune si temperatur constant, de ctre cldura obinut prin arderea unui combustibil, prin efectul termic al curentului electric sau printr-o reacie nuclear. n serviciul marin, o larg rspndire au cptat-o urmtoarele tipuri de cldri: 1 ignitubulare sau cldri cu gaze in tuburi cunoscute i sub denumirea de cldri tubulare; sunt caracterizate de faptul ca au volum mare de ap. La acest tip de cldri, gazele obinute n procesul combustiunii sunt dirijate prin interiorul tuburilor fierbtoare a cror suprafa exterioar este acoperit de ctre ap; 2 acvatubulare sau cldri cu ap n tuburi cunoscute i sub denumirea de cldri tubuloase au un volum mic de ap. La acest tip de cldri, apa circul prin interiorul tuburilor fierbtoare, iar gazele arse prin exteriorul acestora. Rolul cldrilor la bordul navei este acela de a produce aburi, saturai sau supranclzii, necesari pentru satisfacerea nevoii de energie. n acest sens, sunt produi aburii necesari funcionrii mainilor principale i un plus de 12 20% pentru funcionarea mecanismelor i aparatelor auxiliare. Aburul produs la bord este consumat n : mainile principale de propulsie; mainile mecanismelor auxiliare de servitudine; mainile mecanismelor de punte; instalaiile de nclzire a ncperilor navei; instalaiile de stins incediu ; instalaia de nclzire a tancurilor de combustibil; instalaiile de nclzire a apei menajere i pentru buctrie, etc.

La bord, aburul se obine n cele dou tipuri de cldri, construite sub forma cldrilor principale i auxiliare.

Instalaiile auxiliare ale cldrii Calitatea aburului produs n cldare este cu att mai bun cu ct aceasta conine o cantitate mai mare de cldur, acumulat de la combustibilul ars n focar. Acumularea unei cantiti mari de cldur se obine numai n condiiile n care, combustiunea se realizeaz cu o degajare maxim de cldur, circulaia apei este corect asigurat, iar suprafaa de nclzire a cldrii permite i asigur o bun transmitere a cldurii. Pentru a se asigura condiiile unei bune funcionrii, cldarea este prevzut cu urmtoarele instalaii auxiliare: de alimentare cu ap; de alimentare cu combustibil de distilare a apei pentru alimentaie. Fiecare dintre aceste instalaii are n componen: tubulaturi, armturi, mecanisme, aparate auxiliare, aparate de msur, control i supraveghere. Caracteristicile principale ale cldrilor Principalele caracteristici ale cldrilor navale i staionare sunt definite dup cum urmeaz: Debitul cldrii: Prin debitul cldrii se nelege cantitatea de ap care este transformat n abur cu anumii parametri, n unitatea de timp. n tehnic sunt folosite urmtoarele definiri ale debitului: a) debitul nominal al cldrii este notat cu D i reprezint debitul maxim de vapori ce poate fi produs de ctre cldare, n mod permanent, pe timpul exploatrii acesteia. Exprimarea debitului nominal este dat de relaia: D=Qu/ ix - iaa [kg/h] unde: - Q = cantitatea de cldur util acumulat de cldare;

- ix = coninutul de cldur al unui kg de abur saturat cu titlul x, la presiunea din cldare; - iaa = coninutul de cldura al unui kg de ap de alimentare la intrarea sa n cldare;

- ix - iaa = cantitatea de cldur acumulat de fiecare kg de ap, pentru a se transforma n abur cu titlul x la presiunea din cldare . b) debitul normal al cldrii notat Dnor reprezint o valoare de circa 80% din debitul nominal al cldrii i corespunde unei valori optime a randamentului acesteia. Dnor = D x 80/100 [kg/h] c) debitul minim al cldrilor se noteaz cu Dmin i reprezint valoarea celui mai redus debit cu care poate funciona cldarea, pentru o perioad nedefinit de timp, fr ca aceasta s sufere deteriorri.

d) debitul specific al cldrii este notat ds i reprezint raportul dintre debitul nominal al cldrii i suprafaa de nclzire a acesteia. Pentru determinarea debitului specific se folosete relaia : ds =D/A x 1000 [daN/mh]. Debitul specific al cldrii este caracteristica prin care se poate face o comparaie real, ntre diverse tipuri de cldri, n ce privete capacitatea de vaporizare a acestora. n ce privete cldrile navale, debitul specific de vapori este cuprins ntre 20-220kg/ mh . Presiunea de lucru Presiunea de lucru a cldrilor este caracterizat prin : a) presiunea nominal este notat cu P n i reprezint presiunea de lucru maxim admisibil, care este luat n calcul la proiectarea cldrii. Aceasta este presiunea cu care cldarea intr n exploatare; b) presiunea nominal de regim notat cu Pr reprezint presiunea maxim a aburului n cldare, meninut la o valoare constant pe timpul ct cldarea funcioneaz la un regim normal de lucru. Valoarea presiunii nominale de regim se stabilete anual, prin inspeciile de Registru, n urma verificrii strii n care se gsete cldarea. n general, presiunea nominal de regim este mai mic cu aproximativ 5% dect presiunea nominal i se determin cu relaia: pr = 0,95 x pn ; [bar] c) presiunea de utilizare notat cu Pu - reprezint valoare presiunii pe care o au vaporii n momentul ieirii acestora din supanclzitorul cldrii; d) presiunea de probe se noteaz cu Ph i reprezint presiunea maxim la care sa fcut proba hidraulic a cldrii. Uzual la cldrile navale presiunea de probe este de 1,5 ori mai mare dect presiunea nominal a cldrii adic: Ph = 1,5 x Pu ; [bar]

Temperatura aburului n general temperatura este definit ca o mrime de stare, care definete gradul de nclzire a unui corp. Temperatura aburului generat de cldare este luat n discuie att pentru aburul saturat ct i pentru cel supranclzit, dup cum urmeaz: a) temperatura aburului saturat - t s - reprezint temperatura aburului care se afl n domul cldrii ; valoarea acestei temperaturii depinde de presiunea din = 100 x 4 Pr cldare i se determin cu relaia: t s [C] unde :

- t s - temperatura aburului saturat sau temperatura de fierbere a apei la presiunea din cldare (C) ;

- Pr - presiunea nominal de regim ( Pa ).

Aburul saturat, la rndul su, poate fi: saturat umed atunci cnd coninutul su de ap este mai ridicat i saturat uscat atunci cnd umiditatea sa a disprut complet i aburii sunt complet uscai. Gradul de uscare este reprezentat de titlul vaporilor X; gradul de umiditate se noteaz cu Y; ntre acestea exist relaia X + Y=1. Cnd X = 1 nu avem umiditate, deci Y =0 i aburul este saturat uscat; Cnd Y = 1 avem numai umiditate apa ; iar cnd X are valori cuprinse ntre 0 i 1 aburii sunt saturai umezi. n cazul n care, de exemplu, considerm c avem un abur cu titlul X = 72, gradul su de umiditate este Y = 28, ceea ce nseamn c n cazul unui kg de abur saturat umed, 72% sunt aburi saturai uscai i 28% ap (umiditate ). Avnd n vedere cele de mai sus, se poate trage concluzia c, n general titlul vaporilor (X) reprezint procentul de abur saturat uscat dintr-un kg de abur. Aburul saturat umed este un amestec de abur saturat uscat i ap, la temperatura de saturaie. b) aburul supranclzit este aburul a crui temperatur este mai mare dect temperatura de saturaie, corespunztoare presiunii la care se afl. Diferena dintre temperatura de supranclzire i cea de saturaie este cunoscut ca fiind gradul de supranclzire. Temperatura nominal a aburului ( t a ) definete valoare temperaturii vaporilor supranclziii, msurat la ieirea din supranclzitor, la debitul nominal al cldrii. Suprafaa de nclzire a cldrii Suprafaa de nclzire a cldrii este constituit din acea suprafa metalic, care acumuleaz cldura necesar transformrii apei n vapori cu anumii parametrii. Suprafaa de nclzire a cldrii este format din: a)

suprafaa de nclzire principal - ( HK ) este suprafaa metalic splat pe de o parte de gazele arse iar pe de alt parte de apa ce urmeaz a fi transformat n abur. n componena acestei suprafee se ntlnesc: suprafaa de nclzire care acumuleaz cldura prin radiaie i cea care acumuleaz cldura prin convecie. Calculul suprafeei principale de nclzire se face cu ajutorul relaiei : HK = Hr + Hc [m], unde: = suprafaa de nclzire prin convecie . Acumularea cldurii prin radiaie este fcut de ctre suprafaa situat n imediata apropiere a focarului n timp ce nclzirea prin convecie este realizat de ctre suprafeele situate mai departe de focar, de ctre gazele care prsesc focarul; b) suprafaa de nclzire auxiliar este suprafaa metalic care acumuleaz cldura de la gaze pentru a realiza o mai bun vaporizare a apei din cldare. Aceast suprafa este formata din suprafeele de nclzire a prenclzitorului de aer, a economizorului, a supranclzitorului de aburi i a altor elemente, care particip n mod indirect la procesul de vaporizare. Randamentul clduriiC

H -H-

r

= suprafaa de nclzire prin radiaie;

Noiunea de randament al cldrii exprim raportul dintre cantitatea de cldur transmis apei, pentru a se vaporiza la parametri normali de lucru si cantitatea de cldur degajat n focar, prin arderea total a combustibilului n unitatea de timp: Q1 = D(io iaa) , avem : Dac d( o ) c = Cix iaa Qi [ %], unde : D = debitul de abur al cldrii [kg/h];

C =consumul de combustibil [kg/h]. La cldrile prevzute cu supranclzitor, pentru obinerea aburului supranclzit, randamentul se determin cu relaia: D( )+ ( ) csi = io iaa x Dsi ie ii C Q i [%] ,unde : = entalpia aburului la intrarea n supranclzitor . Avnd n vedere cele prezentate, se poate trage concluzia c randamentul cldrii reprezint gradul de economicitate al cldrii, indicndu-ne ct cantitate de cldur acumuleaz cldarea n timpul procesului de vaporizare, din cldura disponibil. Aa cum se poate observa din relaiile de calcul, randamentul cldrii crete atunci cnd se realizeaz un debit mai mare de aburi la acelai consum de combustibil sau dac la acelai debit se consum mai puin combustibil. Randamentul cldrilor navale are valori cuprinse ntre: 0,75- 0,95.i

i = entalpia aburului la ieirea din cldare [KJ/kg]; i = entalpia apei de alimentare [KJ/kg]; Qi = puterea calorific inferioar a combustibilului [KJ/kg]; Q1 = cldura util acumulat de ctre cldare [Kcal/h];o aa

i -i-

e

= entalpia aburului la ieirea din supranclzitor;

Consumul de combustibil Noiunea de combustibil ( C ) este reprezentat de ctre cantitatea de combustibil care este ars n focarul cldrii, n unitatea de timp, pentru a realiza vaporizarea apei. Consumul de combustibil se exprim n kg pe or (kg/h) i variaz cu cantitatea de aburi generat de cldare. Pe msur ce creste debitul de aburi, crete i consumul de combustibil: D( ) C = io iaa c x Qi ; [kg/h] Pentru un debit constant de abur, consumul de combustibil crete odat cu scderea temperaturii apei de alimentaie care ptrunde n cldare. De aici rezult

necesitatea prenclzirii apei de alimentaie la o temperatur ct mai apropiat de temperatura de vaporizare. n cazul cldrilor navale, funcie de tipul acestora, consumul de combustibil este cuprins ntre: C = 5002000 kg/h. Capacitatea de vaporizare a combustibilului Capacitatea de vaporizare a combustibilului (U), reprezint cantitatea de abur obinut n cldare prin arderea unui kilogram de combustibil. Capacitatea de vaporizare poate fi: general i de abur normal. Capacitatea general este dat de raportul U= D/C. Aceast caracteristic nu poate fi folosit pentru comparaia cldrilor i n special a celor cu parametri diferii. n funcie de capacitatea de vaporizare, pentru comparaia diverselor tipuri de cldri se folosete noiunea de capacitate de vaporizare de abur normal. Prin abur normal se nelege aburul saturat uscat cu temperatur de 100C i p=1 bar, obinut din ap a crei temperatur iniial a fost de 0C. La presiune specific, un kg de abur saturat uscat conine aproximativ 640 Kcal. Pentru determinarea capacitii de vaporizare de abur normal se folosesc urmtoarele relaii de calcul: D(io iaa ) Uan = C x 640 ; [Kcal/h] sau i iaa Uan = Cox 640 [Kg/Kg] n cazul cldrilor navale capacitatea de vaporizare a combustibilului are valorile: U= 1012 Kg abur/Kg combustibil. Tensiunea termic a focarului Tensiunea termic a focarului( f ) este o caracteristic a cldrii care ne d informaii asupra cantitii de cldur degajat prin arderea combustibilului n focar i care revine fiecrui metru cub din volumul focarului. Pentru determinarea tensiunii termice a focarului se folosete relaia: f = C x Qi / Vf [Kcal/ m3 x h], unde : C cantitatea de combustibil [kg/h] Qi - puterea caloric inferioar a combustibilului [kj/kg] Vf - volumul focarului [ m ] Valoarea tensiunii termice a focarului difer, funcie de tipul cldrii, dup cum urmeaz: 6 3 pentru cldrii acvatubulare - f = (1,5 7) x 10 [Kcal / m h ]6 3 pentru cldrii ignitubulare - f = (0,5 0,8) x 10 [Kcal / m h ] Aceste limite ale tensiunii termice sunt definitorii pentru stabilirea dimensiunilor focarului. Uzual pentru a putea s avem o imagine asupra intensitii schimbului de cldur din focar este necesar s apelm la caracteristica de tensiune termic a suprafeei de nclzire prin radiaie n unitatea de timp. [Kcal/ m2 h] r = Qr / H r Caracteristica de greutate a cldrii Caracteristica de greutate a cldrii (g) exprim raportul dintre greutatea cldrii - cu sau fr ap i debitul orar de abur al acesteia.3

g = G c / d [kg / kg ] , unde: - G c = greutatea cldrii cu sau fr ap [kg]; - D = debitul orar de aburi al cldrii . Aceast caracteristic ne permite s facem comparaiile necesare ntre cldrile navale. Cerinele tehnice i de exploatare impun ca pentru cldrile navale, caracteristica de greutate s fie ct mai mic. Clasificarea cldrilor marine n scopul evidenierii diferenelor dintre diversele tipuri de cldri marine este necesar s se fac clasificarea acestora. Uzual ambele tipuri de cldri sunt clasificate din urmtoarele puncte de vedere: 1. Dup destinaie cldrile se mpart n : cldri principale destinate s produc i s alimenteze cu aburi mainile de propulsie din dotarea navei; cldri auxiliare cunoscute i sub numele de caldarine, sunt destinate s produc aburi pentru funcionarea mecanismelor auxiliare ale navei, atunci cnd aceasta se afl n staionare. 2. dup valoarea presiunii aburului generat cldrile se mpart dup cum urmeaz : cldri cu joas presiune la care presiunea de lucru este mai mic de 15 bar; (Pc