Кондиціонування повітря на підводних човнах

  Питання кондиціонування повітря житлових і суспільних будівель з жорсткими вимогами до внутрішнього мікроклімату часто представляють певні труднощі для фахівців. Завжди цікаво розглянути граничний випадок застосування установок кондиціонування, одним з проявів якого є відсутність можливості використання зовнішнього повітря. Цей граничний випадок дозволяє фахівцеві відійти від звичних традиційних поглядів, підходів і дає можливість прийти до нових технічних рішень.

Сучасні підводні човни, такі як, наприклад, субмарина «Seawolf» (SSN -21) («Морський вовк»), що входить до складу Військово-морських сил США, є зосередженням найсучасніших розробок, в т.ч. систем кліматизації. Такі судна зазвичай експлуатуються в зануреному стані, але при необхідності вони функціонують як звичайні надводні кораблі.

Для довідки:

ПО СУМІ характеристик кращою субмариною минулого століття, слід визнати американський атомний підводний човен четвертого покоління «Сівулф» ("Морський вовк"), який вступив в дію в 1998 р. Хоча, якщо виходити з чисто формальної "рекордної" ознаки, вона лише найдорожча в світі, оскільки обійшлася платникам податків майже в 3 млрд. дол.

джерело Енциклопедія кораблів/багатоцільові ПЧ/СІФУЛЬВ

Оскільки сучасний підводний човен в звичайному зануреному стані не може оновлювати своє внутрішнє повітря свіжим атмосферним повітрям, на ній повинне буте створена штучне середовище. Оскільки човен може знаходитися під водою довгий час, одній з найнасущніших проблем для людей, що знаходяться на борту субмарини, є створення комфортного і здорового місця існування. Саме такі завдання ставляться перед розробниками суднових систем ОВК і холодильних систем.

Як можуть бути вирішені ці проблеми? Яке устаткування розроблене для створення і підтримки штучного середовища, в якому тривалий час повинна знаходитися команда із понад 100 чоловік? Як контролювати це середовище? І яким чином це устаткування і відповідні методи відрізняються від устаткування і способів вирішення подібних завдань в сучасних будівлях, що стоять на березі, з системами кондиціонування повітря?

Для відповіді на вказані питання в цій статті розглядається устаткування, технології і методи створення штучного середовища на підводних судах. 

Проектування систем кондиціонування повітря

Вживані на сучасних підводних човнах ядерні установки є практично необмеженим джерелом енергії. Окрім цього, човни обладнані акумуляторними батареями і допоміжним дизельним двигуном, який може використовуватися замість ядерної установки. Коли човен знаходиться поблизу водної поверхні, повітря для дизеля може забиратися з атмосфери. При цьому кондиціоноване повітря може подаватися для дихання команди і для інших потреб, для яких потрібне свіже повітря. У доках або біля причалу використовується допоміжне берегове устаткування, за допомогою якого проводиться заміна внутрішнього повітря човна. Внутрішній простір човна може вентилюватися, обігріватися, повітря може кондиціонуватися або охолоджуватися за допомогою спеціальних розроблених для підводних човнів варіантів устаткування, аналогічного використовуваного в сучасних будівлях.

 

 Мал. 1. Киснева установка.

Проте, коли судно знаходиться під водою, внутрішня атмосфера повинна підтримуватися достатньо тривалий час, протягом якого човен повинен знаходитися в зануреному стані, щоб не бути виявленим. Тепер уявимо собі складність виконання цього завдання на такій субмарині, як «Seawolf». Вона «забита» різними матеріалами і устаткуванням підтримки теплових параметрів і видалення відпрацьованих газів. Ми знаємо, що наявне в ній повітря сильно забруднене - 130 чоловік місяцями знаходяться в циліндрі завдовжки 108 м і шириною 12 м. Окрім цього, окрім забруднень від устаткування розробники систем ОВК повинні враховувати сміття, що утворюється, пух від білизни, забруднення, що виробляються при приготуванні їжі, запахи людських тіл, стічні води і витоки хімічних речовин.

У науковій літературі важко знайти відомості про теплові навантаження і витрату холоду на « Seawolf », проте на підставі досвіду експлуатації ядерних підводних човнів подібного класу можуть бути зроблені деякі припущення про розміри і тип встановленого на цьому човні устаткування кондиціонування повітря, а також про можливу витрату холоду. На підставі цих даних можуть бути розглянуті такі чинники, як теплові навантаження від електронного або електричного устаткування, параметри головної енергетичної установки, чисельність команди і розміри корпусу.

При розрахунку теплового навантаження важливо знати, чи охолоджується електроустаткування звичайною або охолодженою водою. Повинні враховуватися такі непередбачені аварійні чинники, як витоки пари або енергетичні втрати. При визначенні параметрів вентиляторів і теплообмінників, що охолоджують, для задоволення вимог нормативів по рівню температури і вологості повинні враховуватися чинники комфортності середовища в машинному відділенні і житлових приміщеннях. Для забезпечення здорового місця існування в замкнутому просторі підводного човна повинні бути вирішені проблеми зі всіма внутрішніми забруднюючими речовинами.

Найімовірніше, субмарина «Seawolf» оснащена двома судновими комплектами, кожен з яких включає два відцентрові охолоджувачі.

Коли човен знаходиться на ходу, звичайний максимум витрати холоду складає від 528 до 703 кВт. Можливо, на човні можна було б обійтися і одним комплектом, але звичайне навантаження розділяється на два комплекти охолоджувачів. Другий судновий комплект, швидше за все, служить як резерв. Енергію для первинних двигунів охолоджувачів забезпечують суднові службові генератори. Пристрій для обробки повітря надає різним центрам споживання електричної енергії повітря з контрольованою температурою для належного регулювання вологості і температури. Найімовірніше, в значній мірі використовується тепло, що виділяється електроустаткуванням.

Ймовірно, внутрішній об'єм «Seawolf складає від 9 000 до 11 300 м3. Якщо показник витрати холоду дорівнює 703,4 кВт, питома витрата холоду складає 0,07 квт/м3.

Використовуване устаткування

Оскільки пара і електроенергія є в надлишку, обігрів гарячою водою не представляє проблеми. Для охолоджування раніше широко використовувалися машини абсорбції, що працюють на броміді літію, а також відцентрові охолоджувачі. Інше використовуване в промисловості устаткування, таке як ротаційні гвинтові компресори, спіральні компресори, насоси, вентилятори і електронні фільтри, також заслуговує уваги розробників устаткування для підводних човнів. Найважливішою характеристикою такого роду устаткування є здатність контролювати температуру і вологість у всіх приміщеннях і відсіках, а також можливість підтримки необхідних параметрів середовища в ізольованих відсіках при аварії. Це, у свою чергу, визначає необхідність використання централізованої системи управління за наявності надмірного резервного устаткування.

Оскільки в підводному човні повинна забезпечуватися рециркуляція повітря і повинна підтримуватися необхідна якість повітря у внутрішньому просторі, надзвичайної важливості набувають функції фільтрації і жорсткого контролю забруднюючих речовин. Для цього потрібне спеціальне устаткування, що виробляє кисень з морської води, відокремлює вуглекислий газ від повітря, що рециркулюється, і фільтрує з нього небажані гази.

На рівні моря сухе атмосферне повітря складається приблизно з 78% азоту, 21% кисню і невеликої кількості вуглекислого газу, озону і інертних газів. Максимальний зміст води складає 4% (у тропіках). На підводних човнах підтримується вказаний процентний склад внутрішнього повітря за допомогою перерахованого нижче устаткування. 

Системи забезпечення киснем

Коли човен знаходиться в зануреному стані, кисень може поповнюватися в контрольованих об'ємах з таких джерел, як кисневі установки, запаси кисню, кисневі свічки. Киснева установка є необмеженим джерелом безпечного кисню для дихання, що виробляється в процесі електролізу води з використанням твердих полімерних електролітних осередків. Насичена каталізатором пластикова діафрагма служить як електроліт і сепаратор. Установка має мікропроцесорне управління, час її циклу останову, промивки, повторного запуску і виходу на повну потужність складає близько 15 хвилин. Кисень, що виробляється установкою, може подаватися у відсіки човна або збиратися в кисневому сховищі, а отримуваний попутно водень віддаляється безпечним чином.  

 

Мал. 2. Установка видалення Со2

Система видалення вуглекислого газу (СО2)

У зануреному стані підводного човна вуглекислий газ зазвичай видаляється газоочисниками СО2. У надзвичайних ситуаціях можуть також використовуватися контейнери з гідратом окислу літію. У газоочисниках для видалення СО2 використовується розчин моноетаноламіну (МЕА). Процес очищення проводиться в поглиначі при зіткненні повітря з рециркулюючим МЕА, а також при контакті пари, що виділяється, і СО2 із спадаючим МЕА у відпарній секції казана. Оскільки моноетаноламін є корозійною і токсичною речовиною, необхідно дотримуватися надзвичайної обережності, щоб він не потрапив в повітря.

Апарат для електростатичного осадження

Для видалення частинок розміром в один мікрон і менше застосовуються апарати для електростатичного осадження. Іонізовані пластини заряджають зважені частинки, які потім збираються на пластинах заземлення. Забруднені пластини періодично очищаються ультразвуком або в очисних станціях. Оскільки апарати для електростатичного осадження є потенційними джерелами озону унаслідок утворення електричної дуги, для запобігання іскрінню робота апаратів електростатичного осадження повинна проводитися при належній напрузі, при цьому необхідно дотримувати всі необхідні настановні параметри.

Апарати осадження масляного туману

Присутній в повітрі масляний туман з піддонів машинного масла турбогенераторів і з випускних отворів корпусів підшипників видаляється апаратом осадження туману. Так само як і апарат електростатичного осадження, цей апарат формує на частинках масла повітря, що подається в нього, позитивний заряд. Після цього частинки осідають на заземлений прохідний ізолятор і стікають назад в масляний піддон.

Попередні фільтри

Попередні фільтри використовуються для запобігання попаданню в апарати осадження крупних частинок (більших чим 10 мікрон).

Топка для чадного газу і водню (Со-н2)

Істотною частиною системи очищення повітря в підводному човні є топка СО-Н2, використовувана для зменшення змісту чадного газу, водню і вуглеводневих забруднень. У топці СО-Н2 використовується каталітичне горіння, в результаті якого чадний газ перетвориться у вуглекислий газ і воду. Нагріте повітря пропускається над шаром матеріалу, званого гопкаліт. Якщо на борту відбудеться витік хладагента, топка СО2 зреагує на цей витік. Проте часткове окислення вуглеводнів, що проходять над каталізатором, а не через нього, може привести до утворення токсичних побічних продуктів. Хлоровані хладагенти, такі як R -12 і R -114, утворюють токсичні компоненти HF і HCI допустимого рівня концентрації, а нехлоровані хладагенти, наприклад R -134 а і R -236 fa, утворюють токсичні компоненти при температурі 316°С, хоча до температури 260°с рівень їх концентрації можна визнати допустимим. На мал. 3 показана схема потоку повітря через типову топку СО2. 

 

 

Мал. 3. Топка чадного газу і водню

 

Фільтри з карбонату літію

Для подальшого поглинання продуктів розкладання кислотами ( HF і HCI ) далі по потоку СО2 розташований фільтр з карбонату літію. Часто шар карбонату літію поновлюється завдяки утворенню на підводному човні цієї речовини при проходженні вуглекислого газу над контейнером з LIOH. Карбонат літію, що є на ринку, не використовується.

Фільтри з активованим вугіллям

Активоване вугілля з шкаралупи кокосових горіхів використовується для видалення забруднюючих газів в процесі капілярного тяжіння і поглинання. Поглинання є домінуючим процесом для органічних компонентів, наприклад вуглеводнів. Межею затримуючої здатності вугілля в звичайних умовах вентиляції є практична межа насичення. Оскільки процес поглинання у вугіллі приводить до заміщення газу або пари з меншою молекулярною вагою газом або парою з великою молекулярною вагою, основний шар вугілля може втрачати свою здатність видаляти з атмосфери підводного човна небажані компоненти з меншими молекулярними вагами. Коли встановлюється, що вугілля досягає насичення, фільтр повинен бути замінений на свіжий вугільний фільтр, що є в запасі. Активоване вугілля використовується в головній вентиляційній системі, у фільтрах туалетних приміщень, гігієнічних вентиляційних каналах, у фільтрах санітарно-технічних каналів.

Система вентиляції

На підводному човні система вентиляції виконує також функції обігріву і кондиціонування повітря. Вона розподіляє кондиціоноване повітря по всіх відсіках підводного човна. У системі циркулює охолоджене, нагріте і осушене повітря. Система вентиляції виводить з приміщень повітря, подає забруднене повітря на механічні фільтри, апарати електростатичного осадження, фільтри з активованим деревним вугіллям, в систему видалення СО2 і в топки СО-Н2. Вона вирівнює концентрацію атмосферних газів і здійснює циркуляцію повітря з відновленими параметрами. Коли підводний човен знаходиться в надводному або напівзануреному стані, система вентиляції поставляє повітря для дизельного двигуна, припливного вентилятора низького тиску і для відновлення повітря для дихання. Вона вентилює відсік акумуляторних батарей, проводить циркуляцію холодного осушеного повітря у відсіках управління ракетною зброєю і навігаційного устаткування, проводить аварійну вентиляцію з виведенням відпрацьованого повітря за борт і знижує концентрацію кисню на пристроях подачі кисню, розподіляючи його по всіх приміщеннях підводного човна.

Контроль джерел забруднення

Не дивлячись на наявність належного устаткування, найбільш ефективним способом зменшення або усунення токсичних забруднень в атмосфері підводного човна є застосування детально розробленої програми контролю джерел забруднень. Така програма повинна включати перевірку і контроль матеріалів, а також неухильне дотримання внутрішнього розпорядку. Наприклад, летючі вуглеводні, такі як розлите машинне або гідравлічне масло, або витоки дизельного палива повинні негайно усуватися для зменшення кількості речовин, які можуть розповсюджуватися по повітрю. 

Висновок

Досвід використання на підводних човнах описуваного вище устаткування показує, що концентрація вуглеводнів може бути забезпечена на рівні однієї або двох частин на мільйон. Це може бути реалізовано при належній дисципліні ведення внутрішнього розпорядку, контролі використання розчинників, при відмові від використання масляних фарб і при неухильному виконанні вимог до процедури забарвлення перед початком роботи в герметичному середовищі човна. Повинні застосовуватися превентивні заходи, що включають строгий нагляд і облік всіх приношуваних на борт матеріалів, облік часу і місця використання матеріалів, контроль кількості вживаних матеріалів.

Це тільки деякі з інструментів, що є у розробників і творців безпечного і здорового середовища на підводному човні.

Якість внутрішнього повітря на підводному човні може контролюватися за допомогою інфрачервоних спектрофотометрів, приладів мас-спектроскопії, пристроїв визначення парамагнітних властивостей, теплопровідності, фотоіонізації, колориметричних даних. Результати аналізів можуть порівнюватися з раніше отриманими даними і використовуватися для визначення належних процедур технічного обслуговування, таких, наприклад, як заміна фільтрів з активованим вугіллям. Для проведення вимірів на борту використовується безліч приладів, заснованих на вказаних принципах.

Застосовуються наступні прилади: центральний монітор контролю атмосфери, аналізатор газових домішок, водневий детектор, портативний пристрій контролю параметрів атмосфери, портативний кисневий аналізатор, шахтний індикатор безпеки, трубки колориметричного аналізу, насосні тестери. Ці прилади можуть використовуватися як перед зануренням, так і під час занурення човна. Вони можуть застосовуватися під час пожежі для виявлення місць, які не торкнувся вогонь, або для контролю місць, в яких проводиться робота з хладагентом.

В даний час є безліч типів спеціалізованих підводних човнів. Їх призначенням може бути не тільки виконання патрулювання і інших спеціальних завдань для збереження миру. Проте, принаймні, частина описаного вище устаткування або його видозмінені варіанти повинні використовуватися на борту, щоб екіпаж підводного човна міг виконувати свою роботу в безпечному середовищі. І застосування цього устаткування розширюватиметься, оскільки людство продовжуватиме проводити дослідження і розширювати використання глибин світового океану.

Література

  1. Foltz D. The design of air conditioning and ventilating systems for nuclear submarines since Nautilus. 1990. (Описується історія розробок систем кондиціонування повітря на підводних човнах, починаючи з «Наутілуса», розглядаються чинники, що впливають на вибір устаткування.)
  2. Smith D., Ung К . Leveraging active submarine force and new attack submarine hazardous material control and minimization programs. (Описуються і оцінюються матеріали, пропоновані для використання в замкнутому середовищі підводного човна: клеї, фарби, розчинники і ізоляційні матеріали.)
  3. Weathersby P. К ., Lillo R. S. Assumptions in setting air quality standards for naval undersea environments. 1996. (Дається опис безпечних рівнів дії багатьох токсичних речовин.)
  4. Jones L. В . The tourist submarine industry. (Дається зведення розробок засобів занурення. У список таких засобів включені 48 спеціально побудованих туристичних підводних човнів і сім комерційних глибоководних апаратів, перебудованих для узяття на борт пасажирів. Щороку ці підводні човни і апарати обслуговують близько двох мільйонів пасажирів, охочих спостерігати підводний мир з середовища з кондиціонованим повітрям.)

Переклад з англійської Л. І. Баранова.

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