Вопросы кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий с жесткими требованиями к внутреннему микроклимату часто представляют определенные трудности для специалистов. Всегда интересно рассмотреть предельный случай применения установок кондиционирования, одним из проявлений которого является отсутствие возможности использования наружного воздуха. Этот предельный случай позволяет специалисту отойти от привычных традиционных взглядов, подходов и дает возможность прийти к новым техническим решениям.

Современные подводные лодки, такие как, например, субмарина «Seawolf» (SSN -21) («Морской волк»), входящая в состав Военно-морских сил США, являются сосредоточением самых современных разработок, в т. ч. систем климатизации. Такие суда обычно эксплуатируются в погруженном состоянии, но при необходимости они функционируют как обычные надводные корабли.

Для справки:

ПО СУММЕ характеристик лучшей субмариной уходящего века следует признать американскую атомную подводную лодку четвертого поколения «Сивулф» ("Морской волк"), которая вступила в строй в 1998 г. Хотя, если исходить из чисто формального "рекордного" признака, она лишь самая дорогая в мире, поскольку обошлась налогоплательщикам почти в 3 млрд. долл.

источник Энциклопедия кораблей/Многоцелевые ПЛ/Сифульв

Так как современная подводная лодка в обычном погруженном состоянии не может обновлять свой внутренний воздух свежим атмосферным воздухом, на ней должна быть создана искусственная среда. Так как лодка может находиться под водой долгое время, одной из самых насущных проблем для людей, находящихся на борту субмарины, является создание комфортной и здоровой среды обитания. Именно такие задачи ставятся перед разработчиками судовых систем ОВК и холодильных систем.

Как могут быть решены эти проблемы? Какое оборудование разработано для создания и поддержания искусственной среды, в которой продолжительное время должна находиться команда из более чем 100 человек? Как контролировать эту среду? И каким образом это оборудование и соответствующие методы отличаются от оборудования и способов решения подобных задач в современных, стоящих на берегу зданиях с системами кондиционирования воздуха?

Для ответа на указанные вопросы в этой статье рассматривается оборудование, технологии и методы создания искусственной среды на подводных судах.

Применяемые на современных подводных лодках ядерные установки представляют собой практически неограниченный источник энергии. Кроме этого, лодки оборудованы аккумуляторными батареями и вспомогательным дизельным двигателем, который может использоваться вместо ядерной установки. Когда лодка находится вблизи водной поверхности, воздух для дизеля может забираться из атмосферы. При этом кондиционированный воздух может подаваться для дыхания команды и для других нужд, для которых требуется свежий воздух. В доках или у причала используется вспомогательное береговое оборудование, с помощью которого производится замена внутреннего воздуха лодки. Внутреннее пространство лодки может вентилироваться, обогреваться, воздух может кондиционироваться или охлаждаться при помощи специально разработанных для подводных лодок вариантов оборудования, аналогичного используемого в современных зданиях.

 

 

Однако, когда судно находится под водой, внутренняя атмосфера должна поддерживаться достаточно длительное время, в течение которого лодка должна находиться в погруженном состоянии, чтобы не быть обнаруженной. Теперь представим себе сложность выполнения этой задачи на такой субмарине, как «Seawolf». Она «забита» различными материалами и оборудованием поддержания тепловых параметров и удаления отработанных газов. Мы знаем, что имеющийся в ней воздух сильно загрязнен – 130 человек месяцами находятся в цилиндре длиной 108 м и шириной 12 м. Помимо этого, кроме загрязнений от оборудования разработчики систем ОВК должны учитывать образующийся мусор, пух от белья, загрязнения, вырабатываемые при приготовлении пищи, запахи человеческих тел, сточные воды и утечки химических веществ.

В научной литературе трудно найти сведения о тепловых нагрузках и расходе холода на « Seawolf », однако на основании опыта эксплуатации ядерных подводных лодок подобного класса могут быть сделаны некоторые предположения о размерах и типе установленного на этой лодке оборудования кондиционирования воздуха, а также о возможном расходе холода. На основании этих данных могут быть рассмотрены такие факторы, как тепловые нагрузки от электронного или электрического оборудования, параметры главной энергетической установки, численность команды и размеры корпуса.

При расчете тепловой нагрузки важно знать, охлаждается ли электрооборудование обычной или охлажденной водой. Должны учитываться такие непредвиденные аварийные факторы, как утечки пара или энергетические потери. При определении параметров вентиляторов и охлаждающих теплообменников для удовлетворения требований нормативов по уровню температуры и влажности должны учитываться факторы комфортности среды в машинном отделении и жилых помещениях. Для обеспечения здоровой среды обитания в замкнутом пространстве подводной лодки должны быть решены проблемы со всеми внутренними загрязняющими веществами.

Вероятнее всего, субмарина «Seawolf» оснащена двумя судовыми комплектами, каждый из которых включает два центробежных охладителя.

Когда лодка находится на ходу, обычный максимум расхода холода составляет от 528 до 703 кВт. Возможно, на лодке можно было бы обойтись и одним комплектом, но обычная нагрузка разделяется на два комплекта охладителей. Второй судовой комплект, скорее всего, служит в качестве резерва. Энергию для первичных двигателей охладителей обеспечивают судовые служебные генераторы. Устройство для обработки воздуха предоставляет различным центрам потребления электрической энергии воздух с контролируемой температурой для надлежащего регулирования влажности и температуры. Вероятнее всего, в значительной степени используется тепло, выделяемое электрооборудованием.

Вероятно, внутренний объем «Seawolf составляет от 9 000 до 11 300 м³. Если показатель расхода холода равен 703,4 кВт, удельный расход холода составляет 0,07 кВт/м³.

Так как пар и электроэнергия имеются в избытке, обогрев горячей водой, паром не представляет проблемы. Для охлаждения ранее широко использовались абсорбционные машины, работающие на бромиде лития, а также центробежные охладители. Другое используемое в промышленности оборудование, такое как ротационные винтовые компрессоры, спиральные компрессоры, насосы, вентиляторы и электронные фильтры, также заслуживает внимания разработчиков оборудования для подводных лодок. Важнейшей характеристикой такого рода оборудования является способность контролировать температуру и влажность во всех помещениях и отсеках, а также возможность поддержания необходимых параметров среды в изолированных отсеках при аварии. Это, в свою очередь, определяет необходимость использования централизованной системы управления при наличии избыточного резервного оборудования.

Так как в подводной лодке должна обеспечиваться рециркуляция воздуха и должно поддерживаться необходимое качество воздуха во внутреннем пространстве, чрезвычайную важность приобретают функции фильтрации и жесткого контроля загрязняющих веществ. Для этого требуется специальное оборудование, вырабатывающее кислород из морской воды, отделяющее углекислый газ от рециркулируемого воздуха и отфильтровывающее из него нежелательные газы.

На уровне моря сухой атмосферный воздух состоит приблизительно из 78% азота, 21% кислорода и небольшого количества углекислого газа, озона и инертных газов. Максимальное содержание воды составляет 4% (в тропиках). На подводных лодках поддерживается указанный процентный состав внутреннего воздуха при помощи перечисленного ниже оборудования.

Когда лодка находится в погруженном состоянии, кислород может пополняться в контролируемых объемах из таких источников, как кислородные установки, запасы кислорода, кислородные свечи. Кислородная установка представляет собой неограниченный источник безопасного кислорода для дыхания, вырабатываемого в процессе электролиза воды с использованием твердых полимерных электролитных ячеек. Насыщенная катализатором пластиковая диафрагма служит в качестве электролита и сепаратора. Установка имеет микропроцессорное управление, время ее цикла останова, промывки, повторного запуска и выхода на полную мощность составляет около 15 минут. Вырабатываемый установкой кислород может подаваться в отсеки лодки или собираться в кислородном хранилище, а получаемый попутно водород удаляется безопасным образом.

В погруженном состоянии подводной лодки углекислый газ обычно удаляется газоочистителями СО₂. В чрезвычайных ситуациях могут также использоваться контейнеры с гидратом окиси лития. В газоочистителях для удаления СО₂ используется раствор моноэтаноламина (МЕА). Процесс очистки производится в поглотителе при соприкосновении воздуха с рециркулирующим МЕА, а также при контакте выделяемого пара и СО₂ с ниспадающим МЕА в отпарной секции котла. Так как моноэтаноламин является коррозийным и токсичным веществом, необходимо соблюдать чрезвычайную осторожность, чтобы он не попал в воздух.

Для удаления частиц размером в один микрон и меньше применяются аппараты для электростатического осаждения. Ионизированные пластины заряжают взвешенные частицы, которые затем собираются на пластинах заземления. Загрязненные пластины периодически очищаются ультразвуком или в очистных станциях. Так как аппараты для электростатического осаждения являются потенциальными источниками озона вследствие образования электрической дуги, для предотвращения искрения работа аппаратов электростатического осаждения должна производиться при надлежащем напряжении, при этом необходимо соблюдать все необходимые установочные параметры.

Присутствующий в воздухе масляный туман из поддонов машинного масла турбогенераторов и из выпускных отверстий корпусов подшипников удаляется аппаратом осаждения тумана. Так же как и аппарат электростатического осаждения, этот аппарат формирует на частицах масла подаваемого в него воздуха положительный заряд. После этого частицы осаждаются на заземленный проходной изолятор и стекают обратно в масляный поддон.

Предварительные фильтры используются для предотвращения попадания в аппараты осаждения крупных частиц (больших 10 микрон).

Существенной частью системы очистки воздуха в подводной лодке является топка СО-Н₂, используемая для уменьшения содержания угарного газа, водорода и углеводородных загрязнений. В топке СО-Н 2 используется каталитическое горение, в результате которого угарный газ преобразуется в углекислый газ и воду. Нагретый воздух пропускается над слоем материала, называемого гопкалит. Если на борту произойдет утечка хладагента, топка СО₂ среагирует на эту утечку. Однако частичное окисление углеводородов, проходящих над катализатором, а не через него, может привести к образованию токсичных побочных продуктов. Хлорированные хладагенты, такие как R -12 и R -114, образуют токсичные компоненты HF и HCI допустимого уровня концентрации, а нехлорированные хладагенты, например R -134 a и R -236 fa, образуют токсичные компоненты при температуре 316°С, хотя до температуры 260°С уровень их концентрации можно признать допустимым. На рис. 3 показана схема потока воздуха через типичную топку СО₂.

Для дальнейшего поглощения продуктов разложения кислотами ( HF и HCI ) далее по потоку СО₂ расположен фильтр из карбоната лития. Часто слой карбоната лития возобновляется благодаря образованию на подводной лодке этого вещества при прохождении углекислого газа над контейнером с LIOH. Имеющийся на рынке карбонат лития не используется.

Активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов используется для удаления загрязняющих газов в процессе капиллярного притяжения и поглощения. Поглощение является доминирующим процессом для органических компонентов, например углеводородов. Пределом задерживающей способности угля в обычных условиях вентиляции является практический предел насыщения. Так как процесс поглощения в угле приводит к замещению газа или пара с меньшим молекулярным весом газом или паром с большим молекулярным весом, основной слой угля может утрачивать свою способность удалять из атмосферы подводной лодки нежелательные компоненты с меньшими молекулярными весами. Когда устанавливается, что уголь достигает насыщения, он должен быть заменен на имеющийся в запасе свежий угольный фильтр. Активированный уголь используется в главной вентиляционной системе, в фильтрах туалетных помещений, гигиенических вентиляционных каналах, в фильтрах санитарно-технических каналов.

На подводной лодке система вентиляции выполняет также функции обогрева и кондиционирования воздуха. Она распределяет кондиционированный воздух по всем отсекам подводной лодки. В системе циркулирует охлажденный, нагретый и осушенный воздух. Система вентиляции выводит из помещений воздух, подает загрязненный воздух на механические фильтры, аппараты электростатического осаждения, фильтры с активированным древесным углем, в систему удаления СО₂ и в топки СО-Н₂. Она выравнивает концентрацию атмосферных газов и осуществляет циркуляцию воздуха с восстановленными параметрами. Когда подводная лодка находится в надводном или полупогруженном состоянии, система вентиляции поставляет воздух для дизельного двигателя, приточного вентилятора низкого давления и для возобновления воздуха для дыхания. Она вентилирует отсек аккумуляторных батарей, производит циркуляцию холодного осушенного воздуха в отсеках управления ракетным оружием и навигационного оборудования, производит аварийную вентиляцию с выводом отработанного воздуха за борт и снижает концентрацию кислорода на устройствах подачи кислорода, распределяя его по всем помещениям подводной лодки.

Несмотря на наличие надлежащего оборудования, наиболее эффективным способом уменьшения или устранения токсичных загрязнений в атмосфере подводной лодки является применение детально разработанной программы контроля источников загрязнений. Такая программа должна включать проверку и контроль материалов, а также неукоснительное соблюдение внутреннего распорядка. Например, летучие углеводороды, такие как разлитое машинное или гидравлическое масло, либо утечки дизельного топлива должны немедленно устраняться для уменьшения количества веществ, которые могут распространяться по воздуху. 

Опыт использования на подводных лодках описываемого выше оборудования показывает, что концентрация углеводородов может быть обеспечена на уровне одной или двух частей на миллион. Это может быть реализовано при надлежащей дисциплине ведения внутреннего распорядка, контролировании использования растворителей, при отказе от использования масляных красок и при неукоснительном выполнении требований к процедуре окраски перед началом работы в герметичной среде лодки. Должны применяться превентивные меры, включающие строгий надзор и учет всех приносимых на борт материалов, учет времени и места использования материалов, контроль количества применяемых материалов.

Это только некоторые из инструментов, имеющиеся у разработчиков и создателей безопасной и здоровой среды на подводной лодке.

Качество внутреннего воздуха на подводной лодке может контролироваться при помощи инфракрасных спектрофотометров, приборов масс-спектроскопии, устройств определения парамагнитных свойств, теплопроводности, фотоионизации, колориметрических данных. Результаты анализов могут сравниваться с ранее полученными данными и использоваться для определения надлежащих процедур технического обслуживания, таких, например, как замена фильтров с активированным углем. Для проведения замеров на борту используется множество приборов, основанных на указанных принципах.

Применяются следующие приборы: центральный монитор контроля атмосферы, анализатор газовых примесей, водородный детектор, портативное устройство контроля параметров атмосферы, портативный кислородный анализатор, шахтный индикатор безопасности, трубки колориметрического анализа, насосные тестеры. Эти приборы могут использоваться как перед погружением, так и во время погружения лодки. Они могут применяться во время пожара для обнаружения мест, которые не затронул огонь, или для контроля мест, в которых производится работа с хладагентом.

В настоящее время имеется множество типов специализированных подводных лодок. Их предназначением может быть не только выполнение патрулирования и других специальных задач для сохранения мира. Однако, по крайней мере, часть описанного выше оборудования или его видоизмененные варианты должны использоваться на борту, чтобы экипаж подводной лодки мог выполнять свою работу в безопасной среде. И применение этого оборудования будет расширяться, т. к. человечество будет продолжать проводить исследования и расширять использование глубин мирового океана. 

1. Foltz D. The design of air conditioning and ventilating systems for nuclear submarines since Nautilus. 1990. (Описывается история разработок систем кондиционирования воздуха на подводных лодках, начиная с «Наутилуса», рассматриваются факторы, влияющие на выбор оборудования.)
2. Smith D., Ung К . Leveraging active submarine force and new attack submarine hazardous material control and minimization programs. (Описываются и оцениваются материалы, предлагаемые для использования в замкнутой среде подводной лодки: клеи, краски, растворители и изоляционные материалы.)
3. Weathersby P. К ., Lillo R. S. Assumptions in setting air quality standards for naval undersea environments. 1996. (Дается описание безопасных уровней воздействия многих токсических веществ.)
4. Jones L. В . The tourist submarine industry. (Дается сводка разработок средств погружения. В список таких средств включены 48 специально построенных туристических подводных лодок и семь коммерческих глубоководных аппаратов, перестроенных для взятия на борт пассажиров. Каждый год эти подводные лодки и аппараты обслуживают около двух миллионов пассажиров, желающих наблюдать подводный мир из среды с кондиционированным воздухом.)

Перевод с английского Л. И. Баранова.

 По материалам ж-ла «АВОК (вентиляция, отопление, кондиционирование)»