CĂLDĂRI NAVALE ŞI MAŞINI DE FORŢĂ CU ABUR

CURS NR.1

INSTALAŢIA DE FORŢĂ CU ABURI LA BORDUL NAVELOR MARITIME

Generalităţi : Rolul instalaţiilor de forţă la bordul navelor este acela de a pune în mişcare propulsoarele, care realizează forţa necesară deplasării navei prin apă. Având în vedere faptul că, maşinile principale de propulsie se diferenţiază între ele, din punct de vedere al principiului de funcţionare, putem clasifica instalaţiile navale după cum urmează:

instalaţii de forţă cu abur;instalaţii de forţă cu motoare cu ardere internă;instalaţii de forţă cu turbine cu gaze;instalaţii de forţă cu motoare electrice;atomice.

Ţinând cont de faptul că fiecare dintre instalaţiile de forţă enumerate au atât avantaje cât şi dezavantaje, alegerea lor se face funcţie de tipul navei, deplasamentul şi destinaţia acesteia. În epoca actuală cea mai largă folosinţă au căpătat-o instalaţiile de forţă cu motoare cu ardere internă. Cu toate acestea, atât în marina comercială cât şi în cea militară, instalaţiile de forţă cu aburi au o largă răspândire.

În general, instalaţiile de forţă cu abur au o componentă simplă şi, în linii mari, sunt formate din: căldări şi/sau turbine cu aburi, mecanisme, aparate şi instalaţii auxiliare de servitudine. Schema de principiu este prezentată în fig.1.

Dispunerea instalaţiei de forţă cu abur, la bordul navei, poate fi făcută după cum urmează: a) - liniar - atunci când căldările sunt dispuse în prova maşinilor de propulsie;

b) - eşalonat - când un anumit număr de căldări sunt dispuse în prova unei maşini de propulsie, şi sunt urmate de un alt număr de căldări care alimentează o maşină de propulsie dispusă după aceasta; c) - mixt - când căldarea şi maşina de propulsie sunt dispuse în acelaşi compartiment; d) - combinat – când instalaţia de forţă are în componenţă atât maşini cu abur cât şi motoare cu ardere internă sau turbine cu gaze.

Consideraţii termodinamice privind procesul de producere a aburului

Una din stările de agregare a apei este starea gazoasă sub formă de abur. Aburul se obţine ca urmare a desfăşurării a două procese de transformare termodinamică, şi anume: evaporarea şi vaporizarea.

Evaporarea constituie procesul de transformare a apei în vapori la suprafaţa lichidului. Mişcarea browniană a particulelor de apă este caracterizată de variaţia în modul şi sensul vitezei lor, astfel încât unele părăsesc apa, trecând în spaţiul liber (cele cu viteze mari), iar altele se transformă din nou în apă. Procesul variază direct proporţional cu temperatura fluidului şi cu suprafaţa expusă mediului exterior.

Vaporizarea constituie procesul de transformare a apei în vapori în toată masa fluidului. Apar bule de abur în masa fluidului, caracterizate prin mişcări violente la suprafaţa de separaţie fluid – aer, numită oglindă de vaporizare, iar o parte din aceste bule trec în spaţiul de abur. Procesul de vaporizare se desfăşoară la o presiune constantă şi poate fi descris în diagrama ρ – V prezentată în fig. 2 .

Curba AK se numeşte curba lichidului sau curba limitată inferioară şi curba BK se numeşte curba aburului saturat uscat sau curba limitată superioară. Punctul K se numeşte punct critic, caracterizând parametrii la care fluidul trece instantaneu în abur supraîncălzitPunctul 1 desemnează începerea procesului de încălzire a fluidului până la temperatura de fierbere. Punctele 2 şi 3 desemnează apariţia primilor vapori.

În punctul 4 apare aburul saturat umed, conţinând picături fine de fluid antrenate de vapori. Ca urmare a creşterii temperaturii, picăturile de fluid din abur se vaporizează, formând aburul saturat uscat. În punctul 5 apare aburul supraîncălzit care nu mai conţine picături de apă şi care pentru o aceeaşi presiune prezintă o temperatură mai mare decât aburul saturat din punctul 6.

În această diagramă de vaporizare intervine noţiunea termodinamică de titlu , care poate fi interpretată ca prezentând greutatea aburului uscat dintr-un kg de abur umed.

Procesul de transformare a căldurii în lucru mecanic se realizează prin intermediul unei instalaţii de forţă cu abur. Schema de principiu a unei astfel de instalaţii este redată în fig. 3:

Procesul se caracterizează prin următoarele etape de lucru: căldarea este alimentată cu apă de către pompa 1, apa se încălzeşte, se vaporizează, aburul transformându-se treptat din abur saturat umed în abur saturat uscat; aburul saturat uscat intră şi se destinde în cilindrul maşinii cu abur 3, producând lucru mecanic, după care iese din cilindru, intră în condensatorul 4, având pereţii reci şi începe să se condenseze. Apa rezultată din procesul de condensare este preluată de pompa 1 şi refulată la volum constant, după care ciclul se repetă. Acest ciclu este cunoscut sub denumirea de ciclul Rankine.

Căldarea navală – generator de aburi

Căldarea navală este un schimbător de căldură unde are loc încălzirea si/sau vaporizarea apei, la presiune si temperatură constantă, de către căldura obţinută prin arderea unui combustibil, prin efectul termic al curentului electric sau printr-o reacţie nucleară. În serviciul marin, o largă răspândire au căpătat-o următoarele tipuri de căldări:1 – ignitubulare – sau căldări cu gaze in tuburi cunoscute şi sub denumirea de căldări tubulare; sunt caracterizate de faptul ca au volum mare de apă. La acest tip de căldări, gazele obţinute în procesul combustiunii sunt dirijate prin interiorul tuburilor fierbătoare a căror suprafaţă exterioară este acoperită de către apă;2 – acvatubulare – sau căldări cu apă în tuburi cunoscute şi sub denumirea de căldări tubuloase – au un volum mic de apă. La acest tip de căldări, apa circulă prin interiorul tuburilor fierbătoare, iar gazele arse prin exteriorul acestora.

Rolul căldărilor la bordul navei este acela de a produce aburi, saturaţi sau supraîncălziţi, necesari pentru satisfacerea nevoii de energie. În acest sens, sunt produşi aburii necesari funcţionării maşinilor principale şi un plus de 12 – 20% pentru funcţionarea mecanismelor şi aparatelor auxiliare.Aburul produs la bord este consumat în :

maşinile principale de propulsie;maşinile mecanismelor auxiliare de servitudine;maşinile mecanismelor de punte;instalaţiile de încălzire a încăperilor navei;instalaţiile de stins incediu ; instalaţia de încălzire a tancurilor de combustibil;instalaţiile de încălzire a apei menajere şi pentru bucătărie, etc.

La bord, aburul se obţine în cele două tipuri de căldări, construite sub forma căldărilor principale şi auxiliare.

Instalaţiile auxiliare ale căldării

Calitatea aburului produs în căldare este cu atât mai bună cu cât aceasta conţine o cantitate mai mare de căldură, acumulată de la combustibilul ars în focar. Acumularea unei cantităţi mari de căldură se obţine numai în condiţiile în care, combustiunea se realizează cu o degajare maximă de căldură, circulaţia apei este corect asigurată, iar suprafaţa de încălzire a căldării permite şi asigură o bună transmitere a căldurii.

Pentru a se asigura condiţiile unei bune funcţionării, căldarea este prevăzută cu următoarele instalaţii auxiliare:

de alimentare cu apă;de alimentare cu combustibilde distilare a apei pentru alimentaţie.

Fiecare dintre aceste instalaţii are în componenţă: tubulaturi, armături, mecanisme, aparate auxiliare, aparate de măsură, control şi supraveghere.

Caracteristicile principale ale căldărilor

Principalele caracteristici ale căldărilor navale şi staţionare sunt definite după cum urmează:Debitul căldării:

Prin debitul căldării se înţelege cantitatea de apă care este transformată în abur cu anumiţi parametri, în unitatea de timp. În tehnică sunt folosite următoarele definiri ale debitului: a) – debitul nominal al căldării – este notat cu „D” şi reprezintă debitul maxim de vapori ce poate fi produs de către căldare, în mod permanent, pe timpul exploatării acesteia.

Exprimarea debitului nominal este dată de relaţia:

D=Qu/ix -iaa [kg/h] unde: - Q = cantitatea de căldură utilă acumulată de căldare;

- ix = conţinutul de căldură al unui kg de abur saturat cu titlul x, la presiunea din căldare;

- iaa = conţinutul de căldura al unui kg de apă de alimentare la intrarea sa în căldare;

- ix -iaa = cantitatea de căldură acumulată de fiecare kg de apă, pentru a se transforma în abur cu titlul x la presiunea din căldare . b) – debitul normal al căldării – notat „Dnor” – reprezintă o valoare de circa 80% din debitul nominal al căldării şi corespunde unei valori optime a randamentului acesteia. Dnor = D x 80/100 [kg/h] c) – debitul minim al căldărilor – se notează cu „Dmin” – şi reprezintă valoarea celui mai redus debit cu care poate funcţiona căldarea, pentru o perioadă nedefinită de timp, fără ca aceasta să sufere deteriorări.

d) – debitul specific al căldării – este notat „ ds ” – şi reprezintă raportul dintre debitul nominal al căldării şi suprafaţa de încălzire a acesteia. Pentru determinarea

debitului specific se foloseşte relaţia : ds =D/A x 1000 [daN/m²h].Debitul specific al căldării este caracteristica prin care se poate face o

comparaţie reală, între diverse tipuri de căldări, în ce priveşte capacitatea de vaporizare a acestora. În ce priveşte căldările navale, debitul specific de vapori este cuprinsă între 20-220kg/ m²h .

Presiunea de lucru

Presiunea de lucru a căldărilor este caracterizată prin :

a) – presiunea nominală – este notată cu „ Pn ” şi reprezintă presiunea de lucru maxim admisibilă, care este luată în calcul la proiectarea căldării. Aceasta este presiunea cu care căldarea intră în exploatare;

b) – presiunea nominală de regim – notată cu „ Pr ” – reprezintă presiunea maximă a aburului în căldare, menţinută la o valoare constantă pe timpul cât căldarea funcţionează la un regim normal de lucru. Valoarea presiunii nominale de regim se stabileşte anual, prin inspecţiile de Registru, în urma verificării stării în care se găseşte căldarea. În general, presiunea nominală de regim este mai mică cu aproximativ 5% decât presiunea nominală şi se determină cu relaţia:

pp

n x 95,0

r ; [bar]

c) – presiunea de utilizare – notată cu „Pu ” - reprezintă valoare presiunii pe care o au vaporii în momentul ieşirii acestora din supaîncălzitorul căldării;

d) – presiunea de probe – se notează cu „Ph ” – şi reprezintă presiunea maximă la care sa făcut proba hidraulică a căldării. Uzual la căldările navale presiunea de probe este de 1,5 ori mai mare decât presiunea nominală a căldării adică:

PP uh x 5,1

; [bar]

Temperatura aburuluiÎn general temperatura este definită ca o mărime de stare, care defineşte gradul

de încălzire a unui corp. Temperatura aburului generat de căldare este luată în discuţie atât pentru aburul saturat cât şi pentru cel supraîncălzit, după cum urmează:

a) – temperatura aburului saturat - ts - reprezintă temperatura aburului care se află în domul căldării ; valoarea acestei temperaturii depinde de presiunea din

căldare şi se determină cu relaţia: 4

rs Pt x 100 [°C] unde :

- ts - temperatura aburului saturat sau temperatura de fierbere a apei la presiunea din căldare (°C) ;

- Pr - presiunea nominală de regim (Pa ).Aburul saturat, la rândul său, poate fi: saturat umed – atunci când conţinutul

său de apă este mai ridicat şi saturat uscat – atunci când umiditatea sa a dispărut complet şi aburii sunt complet uscaţi. Gradul de uscare este reprezentat de titlul vaporilor X; gradul de umiditate se notează cu Y; între acestea există relaţia X + Y=1.Când X = 1 nu avem umiditate, deci Y =0 şi aburul este saturat uscat; Când Y = 1 avem numai umiditate – apa ; iar când X are valori cuprinse între 0 şi 1 aburii sunt saturaţi umezi.

În cazul în care, de exemplu, considerăm că avem un abur cu titlul X = 72, gradul său de umiditate este Y = 28, ceea ce înseamnă că în cazul unui kg de abur saturat umed, 72% sunt aburi saturaţi uscaţi şi 28% apă (umiditate ). Având în vedere cele de mai sus, se poate trage concluzia că, în general titlul vaporilor (X) reprezintă procentul de abur saturat uscat dintr-un kg de abur.

Aburul saturat umed este un amestec de abur saturat uscat şi apă, la temperatura de saturaţie. b) – aburul supraîncălzit – este aburul a cărui temperatură este mai mare decât

temperatura de saturaţie, corespunzătoare presiunii la care se află. Diferenţa dintre temperatura de supraîncălzire şi cea de saturaţie este cunoscută ca fiind – gradul de supraîncălzire.

Temperatura nominală a aburului ( ta ) – defineşte valoare temperaturii vaporilor supraîncălziţii, măsurată la ieşirea din supraîncălzitor, la debitul nominal al căldării.

Suprafaţa de încălzire a căldăriiSuprafaţa de încălzire a căldării este constituită din acea suprafaţă metalică, care acumulează căldura necesară transformării apei în vapori cu anumiţi parametrii. Suprafaţa de încălzire a căldării este formată din:

a) – suprafaţa de încălzire principală - ( HK ) – este suprafaţa metalică spălată pe de o parte de gazele arse iar pe de altă parte de apa ce urmează a fi transformată în abur. În componenţa acestei suprafeţe se întâlnesc: suprafaţa de încălzire care acumulează căldura prin radiaţie şi cea care acumulează căldura prin convecţie. Calculul suprafeţei principale de încălzire se face cu ajutorul relaţiei :

HHH crK

[m²], unde:

- Hr = suprafaţa de încălzire prin radiaţie;

- HC = suprafaţa de încălzire prin convecţie .Acumularea căldurii prin radiaţie este făcută de către suprafaţa situată în imediata apropiere a focarului în timp ce încălzirea prin convecţie este realizată de către suprafeţele situate mai departe de focar, de către gazele care părăsesc focarul;

b) – suprafaţa de încălzire auxiliară – este suprafaţa metalică care acumulează căldura de la gaze pentru a realiza o mai bună vaporizare a apei din căldare. Această suprafaţă este formata din suprafeţele de încălzire a preîncălzitorului de aer, a economizorului, a supraîncălzitorului de aburi şi a altor elemente, care participă în mod indirect la procesul de vaporizare.

Randamentul călduriiNoţiunea de randament al căldării exprimă raportul dintre cantitatea de căldură

transmisă apei, pentru a se vaporiza la parametri normali de lucru si cantitatea de căldură degajată în focar, prin arderea totală a combustibilului în unitatea de timp:

Dacă )D( iiQ aao1

, avem :

Qii

i

aao

c x C

) ( d

[ %], unde :D = debitul de abur al căldării [kg/h];

io = entalpia aburului la ieşirea din căldare [KJ/kg];

iaa = entalpia apei de alimentare [KJ/kg];

Qi = puterea calorifică inferioară a combustibilului [KJ/kg];

Q1 = căldura util acumulată de către căldare [Kcal/h];

C =consumul de combustibil [kg/h].La căldările prevăzute cu supraîncălzitor, pentru obţinerea aburului

supraîncălzit, randamentul se determină cu relaţia:

QiiDii

i

iesiaao

csi x C

)()( D

[%] ,unde :

- ie = entalpia aburului la ieşirea din supraîncălzitor;

- ii = entalpia aburului la intrarea în supraîncălzitor .Având în vedere cele prezentate, se poate trage concluzia că randamentul

căldării reprezintă gradul de economicitate al căldării, indicându-ne câtă cantitate de căldură acumulează căldarea în timpul procesului de vaporizare, din căldura disponibilă. Aşa cum se poate observa din relaţiile de calcul, randamentul căldării creşte atunci când se realizează un debit mai mare de aburi la acelaşi consum de combustibil sau dacă la acelaşi debit se consumă mai puţin combustibil.

Randamentul căldărilor navale are valori cuprinse între: 0,75- 0,95.

Consumul de combustibilNoţiunea de combustibil ( C ) este reprezentată de către cantitatea de

combustibil care este arsă în focarul căldării, în unitatea de timp, pentru a realiza vaporizarea apei. Consumul de combustibil se exprimă în kg pe oră (kg/h) şi variază cu cantitatea de aburi generată de căldare. Pe măsură ce creste debitul de aburi, creşte şi consumul de combustibil:

Qic

aao

x

)( ii

DC

; [kg/h]

Pentru un debit constant de abur, consumul de combustibil creşte odată cu scăderea temperaturii apei de alimentaţie care pătrunde în căldare. De aici rezultă necesitatea preîncălzirii apei de alimentaţie la o temperatură cât mai apropiată de temperatura de vaporizare.

În cazul căldărilor navale, funcţie de tipul acestora, consumul de combustibil este cuprins între: C = 500÷2000 kg/h.Capacitatea de vaporizare a combustibilului

Capacitatea de vaporizare a combustibilului (U), reprezintă cantitatea de abur obţinut în căldare prin arderea unui kilogram de combustibil. Capacitatea de vaporizare poate fi: generală şi de abur normal.Capacitatea generală este dată de raportul U= D/C. Această caracteristică nu poate fi folosită pentru comparaţia căldărilor şi în special a celor cu parametri diferiţi.

În funcţie de capacitatea de vaporizare, pentru comparaţia diverselor tipuri de căldări se foloseşte noţiunea de capacitate de vaporizare de abur normal. Prin abur normal se înţelege aburul saturat uscat cu temperatură de 100°C şi p=1 bar, obţinut din apă a cărei temperatură iniţială a fost de 0°C. La presiune specifică, un kg de abur saturat uscat conţine aproximativ 640 Kcal.

Pentru determinarea capacităţii de vaporizare de abur normal se folosesc următoarele relaţii de calcul:

640 x C

)D( iiU aaoan

; [Kcal/h] sau

640 x CiiU aao

an

[Kg/Kg]În cazul căldărilor navale capacitatea de vaporizare a combustibilului are

valorile: U= 10÷12 Kg abur/Kg combustibil.Tensiunea termică a focarului

Tensiunea termică a focarului(

f ) – este o caracteristică a căldării care ne dă informaţii asupra cantităţii de căldură degajată prin arderea combustibilului în focar şi care revine fiecărui metru cub din volumul focarului. Pentru determinarea tensiunii termice a focarului se foloseşte relaţia:

Vfif/ x C Q

[Kcal/ m3

x h], unde :C – cantitatea de combustibil [kg/h]Qi - puterea calorică inferioară a combustibilului [kj/kg]Vf - volumul focarului [ m3

]Valoarea tensiunii termice a focarului diferă, funcţie de tipul căldării, după

cum urmează:

pentru căldării acvatubulare - ]hm/Kcal[10x)75,1( 36f

pentru căldării ignitubulare - ]hm/Kcal[10x)8,05,0( 36f

Aceste limite ale tensiunii termice sunt definitorii pentru stabilirea dimensiunilor focarului.

Uzual pentru a putea să avem o imagine asupra intensităţii schimbului de căldură din focar este necesar să apelăm la caracteristica de – tensiune termică a suprafeţei de încălzire prin radiaţie în unitatea de timp.

h]m [Kcal/ H/Q 2rrr

Caracteristica de greutate a căldării

Caracteristica de greutate a căldării (g) – exprimă raportul dintre greutatea căldării - cu sau fără apă – şi debitul orar de abur al acesteia.

g = ]kg/kg[ d/Gc , unde:

- Gc = greutatea căldării cu sau fără apă [kg]; - D = debitul orar de aburi al căldării .

Această caracteristică ne permite să facem comparaţiile necesare între căldările navale. Cerinţele tehnice şi de exploatare impun ca pentru căldările navale, caracteristica de greutate să fie cât mai mică. Clasificarea căldărilor marine

În scopul evidenţierii diferenţelor dintre diversele tipuri de căldări marine este necesar să se facă clasificarea acestora. Uzual ambele tipuri de căldări sunt clasificate din următoarele puncte de vedere:

1. După destinaţie – căldările se împart în :căldări principale – destinate să producă şi să alimenteze cu aburi maşinile de propulsie din dotarea navei;căldări auxiliare – cunoscute şi sub numele de caldarine, sunt destinate să producă aburi pentru funcţionarea mecanismelor auxiliare ale navei, atunci când aceasta se află în staţionare.

2. după valoarea presiunii aburului generat – căldările se împart după cum urmează :

căldări cu joasă presiune – la care presiunea de lucru este mai mică de 15 bar; (Pc <15 bar)căldări de medie presiune – produc un abur cu o presiune cuprinsă între 15 şi 29 bar (Pc= 15÷29 bar)Căldări de înaltă presiune – atunci când presiunea de regim a căldării este mai mare de 30 bar.

4. După modul circulaţiei apei în căldare – se întâlnesc următoarele tipuri de căldări: - cu circulaţie naturală – la care circulaţia apei în interiorul căldării se face fără ajutorul vreunui aparat;Căldările cu circulaţie naturală la rândul lor se împart în :

căldări cu circulaţie naturală lentă – la care, în interiorul căldării, apa circulă cu o viteză foarte mică;Căldările cu circulaţi naturală accelerată – la care circulaţia apei în interior se face cu o viteză mare.

Circulaţia naturală lentă este specifică căldărilor ignitubulare, iar circulaţia naturală accelerată este proprie căldărilor acvatubulare. - căldări cu circulaţie artificială – în care circulaţia interioară a apei este realizată cu ajutorul unor pompe speciale 5. După modul în care este realizat tirajul – există : - căldări cu tiraj natural – la care aerul necesar formării amestecului de combustibil pătrunde în focar , în mod natural fără ajutorul unor mecanisme sau instalaţii de servitudine . - căldări cu tiraj artificial – la care aerul destinat arderii este livrat de către ventilatoare sau suflante .

Curs 2

Căldări ignitubulare Căldarea ignitubulară – sau flacăra în tuburi – a fost folosită pentru prima dată,

în serviciul marin, în anul 1803, în Anglia, de către Symington, pentru a livra aburul necesar maşinii care acţiona zbaturile montate pe nava „Charlotte Dundas”. Câţiva ani mai târziu, în 1807, inginerul american, Robert Fulton, construieşte pasagerul „Clermont” propulsat cu maşini cu abur. După aceste date de referinţă, în serviciul maritim, folosirea aburului începe să fie tot mai extinsă.

Presiunea aburului produs în căldările acelor timpuri era cuprinsă între 1,5-5 bar. Încet dar sigur, începe modernizarea construcţiei căldărilor fapt ce duce la creşterea debitului şi a presiunii aburului generat. În acest sens, se poate arăta că, începând cu anul 1870, au început să fie construite căldări de formă cilindrică, care au

putut genera abur cu o presiune de 12daN/c .Începând cu anul 1910, căldările au început să fie prevăzute cu

supraîncălzitoare de abur, fapt ce a dus la creşterea randamentului căldării şi al instalaţiilor de forţă cu aburi, în general. Pe măsură ce tehnologia producerii unor materiale de construcţie cu calităţi superioare a avansat, dezvoltarea construcţiilor navale a căpătat un nou avânt ducând, în mod implicit, la perfecţionarea continuă a construcţiei căldărilor cu flacără în tuburi.

Căldările cu flacără în tuburi sunt considerate a fi căldări cu volum mare de apă. Din această categorie fac parte generatoarele de abur de construcţie mai veche, care sunt cunoscute sub următoarele denumiri: a) – căldări tip locomotivă;b) – căldări cu flacără directă;c) – căldări cu flacără întoarsă.

Forma constructivă a acestor tipuri de căldări este prezentată în fig. 1

Datorită faptului că aceste căldări au un volum mare de apă în raport cu suprafaţa de încălzire, ele pot prelua, relativ cu destulă uşurinţă, variaţiile bruşte de sarcină de scurtă durată. Cu toate acestea, sunt caracterizate printr-o mare inerţie termică şi un timp lung de punere în funcţiune la rece.

Căldările ignitubulare sunt generatoare de abur cu presiune şi producţie moderate care folosesc pentru alimentaţie apa de calitate medie. Asemenea căldări, când sunt de mari dimensiuni, pot fi folosite pentru producerea aburului necesar maşinilor de propulsie, dar, cel mai adesea,, sunt folosite pentru producerea aburului necesar maşinilor auxiliare şi serviciilor menajere.

O căldare auxiliară, numită în limbaj comun caldarină, este considerată aceea care nu produce aburi pentru acţionarea maşinilor de propulsie ci numai pentru serviciile auxiliare esenţiale pentru situaţia navei pe mare. Asemenea servicii sunt. Acţionarea pompelor pentru răcire, ungere, transfer şi serviciu combustibil, sistemul de încălzire combustibil, maşina cârmei etc.

Căldarea pentru servicii menajere nu produce aburi pentru maşinile de propulsie şi nici pentru serviciile esenţiale ci numai pentru serviciile menajere de şi port.

Este posibil ca, uneori, o căldare auxiliară să-şi execute rolul specific atunci când nava se află pe mare, iar atunci când nava se află în port să îndeplinească rolul specific căldărilor pentru servicii menajere.

La bordul navelor, dintre cele trei tipuri de căldări ignitubulare, cea mai largă răspândire au căpătat-o căldările cu flacără întoarsă.Căldări ignitubulare orizontale

Uzual, căldările ignitubulare folosite la bordul navelor sunt clasificate în două grupe principale: căldări orizontale şi căldări verticale. Din grupul căldărilor orizontale cu cea mai largă răspândire fac parte căldările: cu flacără întoarsă, Howen – Johnson, Capus, Economice, Cochran, Bloc, etc.

În cele ce urmează vom lua în discuţie căldările cu flacără întoarsă, cunoscute şi sub numele de Scotch boiler.Căldarea cu flacără întoarsă

Proiectul original al acestor căldări a rămas neschimbat pentru o foarte lungă perioadă de timp. Iniţial, corpul căldări a fost construit prin nituire. În epoca modernă, construcţia prin nituire a fost înlocuită de construcţia prin sudare. Presiunea de lucru a acestui tip de căldare a crescut de la 5,5 bar în 1880, până la valori mai mari de 21 bar în epoca modernă. Constructiv, un asemenea tip de căldare este prezentat în fig. 2. Principalele componente ale căldării cu flacără întoarsă sunt: anvelopa, peretele frontal şi cel dorsal, furnalele, camerele de ardere, tuburile şi legăturile lungi şi scurte.

1. Anvelopa căldării Anvelopa sau corpul cilindric al căldării constă dintr-un înveliş metalic, care

formează spaţiul pentru apă şi abur al căldării. Anvelopa poate fi constituită din unul sau mai multe tronsoane cilindrice, confecţionate din tablă de oţel moale de căldare. Îmbinarea tronsoanelor între ele, pentru formarea unui tot unitar, se realizează prin nituire sau sudare. În funcţie de diametrul căldării, un tronson poate fi construit dintr-o singură sau mai multe foi de tablă din oţel de căldare.

Ţinând cont de faptul că în general, căldările navale cu flacără întoarsă au lungimi cuprinse între 2,5-3,5 metri, şi diametre de 2,5-5 metri, anvelopa căldării este construită din trei tronsoane, fiecare dintre acestea fiind fabricate din 2-3 foi de tablă.

La construcţia căldărilor moderne este folosită din ce în ce mai mult metoda de sudare a tablelor şi tronsoanelor în detrimentul îmbinării prin nituire. Atunci când îmbinarea se face prin sudare, cerinţa de Registru impune o sudare de Clasă I.

2. Pereţii căldării Căldările ignitubulare sunt prevăzute cu doi pereţi – unul frontal şi altul

dorsal, care limitează spaţiul de apă în plan longitudinal. Atât peretele frontal cât şi cel dorsal pot fi construiţi, pe înălţimea lor, dintr-o singură foaie de tablă de oţel de căldare sau din mai multe foi de grosimi variabile. În acest sens, uzual, la construcţia peretelui frontal se întâlnesc trei zone în care se folosesc table de grosimi diferite; după cum urmează:

zona plăcii superioare – unde grosimea tablei este relativ redusă; în tablă nu se practică orificii, iar zona este supusă numai la efortul de presiune;zona plăcii mijlocii – este zona cea mai solicitată; grosimea tablei este mai mare decât a celei superioare; în placă sunt practicate o serie întreagă de orificii cu scopuri diferite; placa este supusă la eforturi diferenţiate;zona plăcii inferioare – foloseşte o tablă de grosime egală cu a plăcii superioare; placa este denumită şi „peretele focarului” – întrucât de aceasta se fixează tubul de flacără al căldării.

Peretele dorsal al căldării este construit din trei plăci de oţel, cu grosimi variabile de până la 30 mm.

Ambii pereţi sunt flanşaţi de maniera de a permite montarea înspre interior, în cazul fixării prin nituire şi în exterior, pentru fixarea prin sudare. Grosimea plăcilor din componenta lor este aleasă în funcţie de valoarea presiunii de lucru a căldărilor şi de numărul legăturilor de susţinere. 3. Tubul de flacără

În practică este denumit „furnal” şi este componenta căldării în care are loc arderea combustibilului. Din cauza procesului de ardere tubul de flacără este supus la tensiuni termice deosebit de puternice, care se manifestă prin dilatări şi contractări alternative. Tubul de flacără este construit, din oţel special, sub forma unui cilindru cu diametru cuprins între 750-1200 mm şi suprafaţă ondulată. În fig. 3 sunt prezentate diverse tipuri de ondulaţii – (virole), şi distanţa dintre acestea.Uzual, această distanţă este cuprinsă între 200 – 230mm, iar grosimea tablei, care este absolut constantă, pentru diverse tipuri de căldări, are valori cuprinse între 9-22 mm.

Numărul furnalelor montate la o căldare depinde de diametrul acesteia. Pentru căldările marine cu diametrul mai mare de 2,5 m sunt specifice două furnale, în timp ce pentru căldările cu diametre cuprinse între 3,5-5 m, numărul furnalelor este de trei, în

timp ce căldările cu diametre mai mari de 5 metri sunt prevăzute, uzual, cu câte patru tuburi de flacără.

Lungimea uzuală a tuburilor de flacără este de 2500mm, iar fixarea lor se face prin nituire sau sudare, cu un capăt pe peretele frontal al căldării şi cu celălalt pe peretele frontal al cutiei de foc.

La căldările cu flacără întoarsă tuburile de flacără sunt întotdeauna demontabile. În cazul în care tubul este nituit în camere de ardere, fixarea pe peretele frontal al cutiei de foc se face prin intermediul unei flanşe terminată în „gât de lebădă” aşa cum se vede în fig. 4 a

Dimensiunile flăcării sunt alese pentru a permite extragerea tubului de flacără prin deschiderea practicată în peretele frontal al cutiei de foc – fig. 4 bAtât construcţia cât şi modul de fixare a furnalului ţine cont de faptul că, acesta este supus la eforturi termice deosebite create de faptul că în interiorul său are loc arderea combustibilului şi în exterior este înconjurat de apă.

4Cutia de foccutia de foc este o prelungire a tubului de flacără în care se continuă şi se

sfârşeşte procesul de ardere. Cutia de foc se execută din materiale foarte bune conducătoare de căldură, şi cu mare rezistenţă la temperaturi înalte, uzual, din oţeluri speciale sau cupru. Cutia de foc face legătura între furnal şi tuburile de fum (fierbătoare), având rolul de a asigura întoarcerea direcţiei de curgere a gazelor spre coş. Este înconjurată, în exterior, de apa din căldare şi este o suprafaţă de încălzire a acesteia. Cutia de foc este expusă, tot timpul cât căldarea se află în funcţie, la eforturi termice şi de compresie motiv pentru care construcţia acesteia impune o atenţie deosebită.Detaliile constructive ale diverselor cutii de foc sunt prezentate în fig. 5. Constructiv o cutie de foc se compune din:

a) – perete frontal – 1 – a cărui parte superioară este placa tubulară pentru fixarea tuburilor fierbătoare;

b) – perete dorsal – 2 – de care, prin intermediul antretoazelor, se face fixarea de peretele dorsal al căldării;

c) – pereţii laterali – 3 – au rolul de a asigura închiderea ermetică a cutiei şi de a permite legătura cu corpul cilindric al căldării;

d) – partea inferioară – 4 – asigură închiderea cutie în partea inferioară şi în unele cazuri, susţine vatra de cărămidă refractară. La unele căldări, în exterior, sunt montate „picioare” de susţinere a cutiei în partea inferioară;

e) – partea superioară – 5 – poartă denumirea de „cerul cutiei de foc” şi închide cutia în partea sa superioară. Pe aceasta sunt montate o serie de legături scurte, de care se fixează „ coroane”, pentru susţinerea cutiei în partea superioară. Tot în cerul focarului – cutiei de foc – se montează, prin înşurubare, dopuri fuzibile – care sunt elemente de protecţie a căldării atunci când aceasta rămâne fără apă.

Având în vedere rolul şi eforturile la care este supusă, cutia de foc este confecţionată din tablă de oţel moale de căldare cu grosimi de până la 43 mm. Peretele dorsal al cutiei de foc se construieşte cu o oarecare înclinare faţă de peretele frontal – aşa cum se poate vedea în fig. 6 – pentru a permite o desprindere mai uşoară a bulelor de aburi, care se formează în timpul funcţionării căldării.

Rigidizarea cutiei de foc şi a întregului ansamblu „focar”, având în vedere importanţa şi greutatea sa, se face atât în plan vertical cât şi în plan orizontal, prin legături lungi şi scurte.

La căldările cu flacără întoarsă, numărul cutiilor de foc este egal cu cel al furnalelor. Excepţie de la această normă o fac căldările cu o suprafaţă de încălzire mai

mică de 160 , în cazul cărora, la o cutie de foc sunt ataşate două furnale . 5.Tuburile căldării

Totalitatea tuburilor fierbătoare, montate într-o căldare ignitubulară cu flacără în tuburi, sunt numite şi ţevi de fum – şi constituie partea principală a suprafeţei de încălzire a căldării. Constructiv, ţevile de fum sunt de două feluri – ordinare şi tirante. Tuburile ordinare – numite şi simple – sunt destinate să asigure transmiterea căldurii gazelor arse, în drumul lor spre coş, apei din căldare, în timp ce, tuburile tirante – numite şi de legătură – în afara rolului de transmitere a căldurii îl mai au şi pe acela de rigidizare a legăturii dintre cele două plăci tubulare.

În mod normal, la căldările navale cu flacără întoarsă, ţevile de fum au diametre cuprinse între 60-90 mm şi o grosime a peretelui de 3-4,5mm, în cazul ţevilor ordinare şi de 5-9 mm, la ţevile tirante. Din totalul numărului de ţevi, montate în asemenea căldări, 60-70% îl reprezintă ţevile ordinare şi 30-40% ţevile tirante.

Fixarea ţevilor de fum, în plăcile tubulare, se face prin:mandrinare – cazul ţevilor ordinare;înfiletare şi asigurare cu piuliţă şi contrapiuliţă, la ţevile tirante; sudare electrică în cazul ambelor tipuri de ţevi.

Înainte de a fi introduse în căldare, ţevile se decălesc la ambele capete, se expandează, cu ajutorul unui dorn, la capătul care rămâne în exterior, până la diametrul necesar, după care, se lustruiesc până la metalul alb, în exterior, în zona care intră în plăcile tubulare şi se ung cu ulei de in fiert.

Dispunerea ţevilor în placa tubulară se face de aşa manieră încât ţevile tirante să ocupe zona periferică a acesteia.

La căldările moderne, fixarea ţevilor de fum în plăcile tubulare se face prin sudură electrică. Prin această metodă se exclud folosirea celor două tipuri de ţevi – ordinare şi tirante, se creşte rezistenţa construcţiei şi durata de folosire a ţevilor şi plăcilor tubulare iar operaţiunea de montare este mult mai rapidă şi mai puţin costisitoare. Modalităţile de fixare a tuburilor în plăcile tubulare sunt prezentate în fig. 7

6. Legăturile căldăriiLegăturile căldării constau din bare de oţel cu lungimi diferite, care au rolul de

a realiza şi menţine, pentru o perioadă nedefinită de timp, rigidizarea căldării. Uzual, în căldările ignitubulare există următoarele tipuri de legături:a) – legăturile lungi – sunt bare de oţel cu secţiune rotundă şi lungime bine

determinată, dispuse în spaţiul superior al căldării, cu rolul de a realiza şi întări legătura dintre peretele frontal şi cel dorsal al căldării. Legăturile lungi – numite şi tiranţi – sunt îngroşate la capete şi sunt prevăzute cu filet. Introducerea tiranţilor în căldare se face în mod similar cu introducerea tuburilor fierbătoare.

Înfiletarea se face simultan în ambii pereţi, iar capetele ies în afara acestora şi sunt asigurate cu piuliţa şi contrapiuliţa.

b) – legăturile scurte – sunt bare de oţel sau cupru cu secţiune rotundă cu filet la ambele capete, destinate să asigure fixarea unor elemente constructive ale căldării în interiorul său, la o anumită distanţă, considerată, relativ, scurtă, unele de altele şi să le menţină în această poziţie, pentru o perioadă nedefinită de timp. Legăturile scurte mai sunt numite şi – antretoaze – şi asigură : legătura cutiilor de foc între ele, legătura acestora cu peretele dorsal şi cu corpul cilindric al căldării.

La fixarea peretelui dorsal al cutiei de foc cu peretele dorsal al căldării, ţinând cont că unul dintre pereţi este înclinat faţă de celălalt şi că în plan transversal, antretoazele se introduc perpendicular, pentru fixare este nevoie să se folosească şeibi sub formă de pană care să asigure strângerea normală a piuliţelor.

Modul de fixare a legăturilor lungi şi scurte este prezentat în fig. 8 .

Unele legături scurte sunt prevăzute cu canale centrale de control, cu diametrul de 5-8mm, pe toată lungimea sau numai la capete, care au rolul de a avertiza ruperea unei legături. Avertizarea constă în faptul că, prin ruptură în canal pătrunde abur sau apă care ies în exteriorul căldării şi pot fi observate de către fochist. Legăturile scurte sunt supuse la eforturi deosebit de mari, iar ruperea uneia dintre ele duce la creşterea sarcinii pe celelalte, producând deformarea corpului căldării în zona afectată. La căldările moderne, fixarea legăturilor se face prin sudură.7. Camera de fum

Este destinată, prin construcţie, să asigure pe toată durata folosirii căldării, trecerea gazelor arse spre coşul căldării. Spaţiul camerei de fum este delimitat de pereţii acesteia, care sunt confecţionaţi din tabla de oţel cu grosimi cuprinse între 3-5 mm, şi care sunt fixaţi prin şuruburi pe peretele frontal al căldării.

Camera de fum asigură şi protecţia necesară, contra gazelor arse, a zonei superioare a peretelui frontal spălată la interior de abur. De asemenea, aceasta este prevăzută cu capace de vizită, cu deschidere în plan vertical, care permit curăţirea tuburilor de fum şi înlocuirea lor, atunci când este cazul. Camera de fum se continuă cu coşul navei, iar la unele căldări navale, la baza coşului, în camera de ardere se montează – economizorul pentru apă – al cărui rol este acela de a creşte temperatura apei de alimentare, prin captarea unei părţi din căldura aflată în gazele de evacuare.

Camera de fum joacă un rol deosebit de important în realizare şi menţinerea unui tiraj corespunzător, pentru buna funcţionare a căldării. În acest sens, este necesară asigurarea unei bune etanşeităţi a pereţilor care formează camera de fum.

8. Vatra de cărămidă Vatra de cărămidă are rolul de a asigura protecţia necesară metalului căldării

în acele zone unde temperatura este deosebit de ridicată. Zonele cu asemenea temperatură sunt localizate în partea inferioară a cutiei de foc, unde circulaţia apei este foarte lentă şi deci, răcirea suprafeţelor calde este mult îngreunată.Vatra este confecţionată din cărămidă refractară aşezată pe un pat de pământ refractar în amestec cu fulgi de azbest.9. Orificii de vizită

Orificiile de vizită sau de inspecţie sunt deschideri practicate în corpul căldării, acoperite cu capace demontabile, prin intermediul cărora pot fi făcute inspecţii şi/sau diverse lucrări de reparaţii şi întreţinere. Orificiile de vizită, practicate în corpul cilindric al căldării, au formă ovală cu dimensiuni de 300-400 mm. Pentru a se preveni slăbirea rezistenţei corpului, în zona orificiilor, acestea se execută de maniera ca axa mică a orificiului să fie paralelă cu axa căldării.

În zona inferioară a corpului căldării sunt practicate orificii pentru curăţirea spaţiului de apă, a căror dimensiuni sunt mai mici decât cele ale orificiilor de inspecţie. Închiderea orificiilor de vizită se face cu ajutorul autoclavelor, care se fixează cu ajutorul unor şuruburi şi ancore, ca în fig. 9

Montarea autoclavei se face din interiorul căldării, pe a cărei suprafaţă interioară se strânge, prin intermediul şuruburilor şi ancorelor de fixare. Pentru a se asigura etanşarea necesară, în canalul practicat pe suprafaţa exterioară a autoclavei se montează o garnitură specială, de formă eliptică, confecţionată din klingherit armat unsă cu grafit sau Molikote, pentru a preveni arderea şi lipirea pe suprafeţele de contact.10. Principiul de funcţionare a căldării cu flacără întoarsă

În cazul căldărilor cu flacără în tuburi suprafaţa de încălzire este constituită din suprafeţele tubului de flacără, a cutiei de foc şi a tuburilor fierbătoare.

Căldura degajată prin arderea combustibilului, în tubul de flacără şi în cutia de foc, este parţial transmisă direct tubului de flacără, iar o altă parte este acumulată de gazele arse care pătrund în cutia de foc. Aici are loc arderea ultimelor particule de combustibil, care nu au putut să ardă în furnal. În acest mod cutia de foc acumulează căldura atât din arderea combustibilului cât şi de la gazele arse aflate în interiorul său. Din cutia de foc gazele arse pătrund în ţevile de fum, cu care intră în contact direct şi le cedează o mare cantitate de căldură. Cu această ocazie căldura este transmisă apei, care înconjoară tuburile prin exterior şi aceasta se încălzeşte în mod continuu.

Prin încălzire la un moment dat, apa ajunge la temperatura de fierbere (saturaţie) corespunzătoare presiunii din căldare şi începe să se vaporizeze. Vaporii de apă se acumulează în partea superioară a căldării, numită - camera de aburi – care este situată deasupra oglinzii de vaporizare ‚.

Cantitatea de aburi generată de căldare creşte pe măsură ce se continuă combustia; odată cu creşterea cantităţii creşte şi volumul de abur, într-un spaţiu rămas aproximativ constant. Atâta timp cât în căldare se produc aburi, fără să se consume, pentru a avea loc în volumul camerei de aburi, aceştia se comprimă făcând ca presiunea din căldare să crească. Pe măsură ce creşte presiunea în căldare va creşte şi temperatura de fierbere a apei şi cantitatea de căldură necesară vaporizării. În acest fel la acelaşi consum de combustibil vom avea un proces mai redus de vaporizare. Atunci când presiunea aburului din căldare atinge valoarea presiunii de regim, poate fi pusă în comunicaţie cu consumatorii principali de abur.

După consumarea unei cantităţi oarecare de abur, presiunea din căldare scade. Pentru a menţine o presiune constantă, este necesar ca în căldare să se producă, în aceeaşi unitate de timp, o cantitate de abur egală cu cantitatea de abur livrată de către aceasta.

Căldările cu flacără întoarsă prezintă următoarele avantaje:au şi menţin un randament ridicat – circa 65-75% chiar în condiţii de variaţii de regim;au o exploatare şi întreţinere simplă;folosesc pentru alimentaţie apa fără condiţii deosebite de calitate;au un volum mare al camerei de abur;permit obţinerea unui abur cu conţinut redus de umiditate.

Faţă de cele relatate, căldările cu flacără întoarsă prezintă următoarele dezavantaje:

necesită timp îndelungat pentru ridicarea presiunii;

generează aburi cu presiune relativ redusă, circa 15-16 ;au un debit redus de aburi, circa 7-8 t/h;din cauza volumului mare de apă, prezintă pericol mare de explozie;au o greutate mare, circa 15 kg metal la 1 kg apă etc.

La navele moderne s-a renunţat la folosirea acestui tip de căldare ca şi căldare principală.

Căldări multitubulareCăldările multitubulare, cunoscute şi sub denumirea de căldări „economice”,

au două sau trei furnale ondulate conectate la o singură cameră de ardere, sau la o vatră de ceramică refractară închisă într-o carcasă construită din oţel moale de căldare.Căldările au fost construite în ultima parte a anilor `50 şi au fost folosite pentru a genera aburul necesar mecanismelor auxiliare şi pentru servicii neesenţiale la bordul tancurilor petroliere de tip vechi, şi dimensiuni medii, precum şi la bordul cargourilor.

Căldările multitubulare au fost proiectate să aibă o rată de vaporizare comparabilă cu a căldărilor cu flacără întoarsă de aceeaşi dimensiune. În general nu sunt prevăzute cu supraîncălzitor şi au o presiune de lucru situată în jurul valorii de 12 bar. Uzual, la acest tip de căldări, raportul dintre lungime şi diametru este de 3/2. Căldările de mare capacitate pot ajunge şi la o lungime de 6 metri şi un diametru corespunzător. Până de curând, aceste căldări au fost folosite pentru a genera aburii necesari atât pentru maşinile de propulsie cât şi pentru necesităţile auxiliare.

Odată cu folosirea combustibililor grei, cu vâscozitate mare, la arderea în motoarele navale, la bordul navelor a început să fie limitată nevoia de abur la

operaţiunile de încălzire a combustibilului şi pentru satisfacerea nevoilor menajere. În acest mod, la bordul navelor cu motoare de propulsie s-a renunţat la folosirea căldărilor ignitubulare de mare capacitate, iar pentru producerea aburului de joasă presiune sunt folosite căldările cu apă în tuburi, adesea cu dublă evaporaţie.

Pentru cargourile echipate cu motoare sunt folosite o nouă generaţie de căldări orizontale, de mici dimensiuni care înlocuiesc caldarinele convenţionale de tip vertical. Cele mai des utilizate sunt căldarinele de tip „compact” dotate cu un grad ridicat de automatizare. Căldarinele de tip „compact” sunt unităţi complete pentru generarea aburului, în care, căldarea şi componentele sunt montate pe o bază comună. Fiecare component încorporat în proiectul general are calitatea şi capacitatea pentru asigurarea funcţionării sale specifice.

Uzual, căldările „compacte” au o capacitate de circa 15000 kg abur/h şi o presiune de lucru de până la 17,5 bar.Căldările ignitubulare verticale

Căldările ignitubulare în construcţie verticală sunt, în general, folosite ca şi căldări auxiliare (căldărine) cu rolul de a furniza aburul necesar consumatorilor auxiliari de la bordul navei. Căldările auxiliare se întâlnesc atât la bordul navelor care pentru propulsie folosesc maşini de forţă acţionate cu aburi, cât şi la navele care sunt dotate cu motoare cu ardere internă. În principiu, căldările auxiliare furnizează abur saturat folosit în instalaţiile de încălzire, de stins incendiu, de acţionare a maşinilor auxiliare de punte, etc. Alegerea căldărilor se face în funcţie de cerinţele de abur ale navei, debitul acestora fiind cuprins între 500-15000 kg/h sau chiar mai mult.

Presiunea aburului generat în căldările auxiliare este cuprinsă între 5-28 bar. Având în vedere aceste valori, aburul poate fi folosit la acţionarea grupurilor electrogene şi a mecanismelor de punte de mare putere. La bordul navelor o largă răspândire au căpătat-o următoarele tipuri de căldări verticale ignitubulare.

Căldarea cu ţevi fierbătoare transversaleEste un tip de căldare verticală de mare eficienţă, cu o construcţie simplă,

fabricată prin nituire. Constructiv căldarea arată ca în fig. 10

Aşa cum se vede, anvelopa cilindrică a căldări este plasată pe postament după axa sa verticală. În interiorul anvelopei este fixată, prin nituire, camera de ardere a cărei formă este cilindrică sau uşor conică, iar în interiorul acesteia sunt prevăzute două sau trei tuburi, cu diametru mare, pentru circulaţia apei. Tuburile de apă sunt dispuse pe direcţia de scurgere a gazelor arse spre coşul navei şi au un dublu rol: acela de a dezmembra gazele şi de a le capta o cât mai mare cantitate de căldură. Partea

superioară a camerei de ardere are o formă plată sau uşor concavă şi trebuie să fie menţinută, pentru rigidizare, cu ajutorul unor tirante, de partea superioară exterioară a anvelopei.

Rigidizarea căldării pe postament este asigurată de grosimea dublă a materialului, formată prin îmbinarea dintre camera de ardere şi anvelopă, şi imediat sub aceasta prin montarea unui inel confecţionat din cornier care îmbracă partea inferioară a căldării prin exterior.

Căldările de acest tip construite în ultima perioadă de tip, sunt prevăzute cu mai mult de 16 tuburi transversale pentru circulaţia apei, sunt montate în general, pe navele prevăzute cu motoare Diesel şi generează aburi cu presiune de lucru de circa 7 bar.

Curs 3 Căldări acvatubulare Generalităţi

În cazul căldărilor acvatubulare apa circulă prin interiorul tuburilor fierbătoare iar gazele arse în exteriorul acestora. Căldările cu apă în tuburi reprezintă rezultatul cercetărilor şi străduinţelor constructorilor de a produce căldări care să corespundă, în mai mare măsură, cerinţelor pentru satisfacerea necesarului de forţă la bordul navelor. Având în vedere acest deziderat, constructorii au urmărit strict tendinţa de perfecţionare a căldărilor navale cu apă în tuburi. Din punct de vedere istoric, evoluţia construcţiei căldărilor a fost deosebit de diversificată.

Iniţial, căldările acvatubulare au fost folosite ca generatoare de abur la bordul navelor militare şi numai ulterior acestea au căpătat o largă răspândire la bordul navelor comerciale. Constructiv şi funcţional între căldările ignitubulare şi cele acvatubulare există diferenţieri constructive fundamentale.

Tipuri de căldări acvatubulareCăldările acvatubulare sunt construite intr-o diversitate de tipuri motiv pentru

care, s-a realizat o clasificare a acestora în scopul recunoaşterii cu uşurinţă a căldărilor folosite în instalaţiile de forţă de la bordul navelor. Constructiv, căldările acvatubulare sunt împărţite în :

căldări triunghiulare – normale şi ecranate;căldări cilindrice – normale şi ecranate.

În categoria căldărilor triunghiulare intră căldările de construcţie mai veche, prevăzute cu cel puţin 3 colectoare. Denumirea vine de la forma de triunghi a focarului construit între cele trei colectoare ale căldării.

Căldările cilindrice sunt căldări cu două colectoare, unul superior şi altul inferior între care este construit focarul a cărui formă este aproximativ cilindrică. Căldările cilindrice întrunesc unele calităţi care le fac preferabile căldărilor triunghiulare.

În general, în instalaţiile navale de forţă cu aburi au căpătat o largă utilizare următoarele tipuri constructive de căldări:1. – căldarea triunghiulară normală simetrică cu două circuite de gaze. Aşa cum se vede din fig. 1: căldarea are două colectoare inferioare de aceleaşi dimensiuni şi doua circuite de gaze.

Un alt tip de căldare triunghiulară este cel prezentat în fig. 2a căldarea are cele două colectoare inferioare de dimensiuni diferite şi un snop de tuburi fierbătoare cu un număr mai mic de tuburi fapt ce permite montarea supraîncălzitorului în această secţiune căldarea este numită „asimetrică” întrucât, faţă de axa centrală de simetrie aceasta este asimetrică.

În fig. 2b este prezentată o căldare triunghiulară asimetrică ecranată cu un singur circuit de gaze. Căldarea are două colectoare inferioare cu diametre diferite şi în locul unui snop de tuburi fierbătoare este montat un ecran format din două rânduri de tuburi alăturate.

Rolul ecranului este acela de a preveni trecerea gazelor printre tuburile sale şi de a le forţa să treacă peste tuburile fierbătoare, în drumul lor spre coş.

Căldarea prezentată în fig. 2c este cunoscută sub denumirea de căldare triunghiulară asimetrică ecranată, cu un singur circuit de gaze şi cu supraîncălzitorul dispus între snopurile tuburilor fierbătoare. Căldarea este prevăzută cu trei colectoare inferioare cu diametre diferite şi cu un ecran format din două rânduri de tuburi alăturate.

Un alt tip de căldări acvatubulare, întâlnit frecvent la bordul navelor, sunt căldările cilindrice. Acest tip de căldări au căpătat o tot mai largă utilizare înlocuind cu succes căldările triunghiulare. În fig.3a este prezentată o căldare cilindrică simetrică, normală, cu două circuite de gaze.

Vatra focarului este aşezată direct deasupra colectorului inferior.O căldare cilindrică asimetrică este prezentată în fig.3 b .

Aceasta este o căldare asimetrică, ecranată, cu un singur circuit de scurgere a gazelor arse şi cu supraîncălzitor de aburi montat pe direcţia de scurgere a gazelor.

În afara schemelor de căldări prezentate, atât triunghiulare cât şi cilindrice, în practică se întâlnesc şi alte tipuri rezultate în urma diverselor combinaţii constructive.Circulaţia apei în căldareGeneralităţi

Buna funcţionare a căldării este în mare măsură influenţată de către modul în care este realizată circulaţia apei şi a amestecului apă – abur în interiorul căldării. Căldura degajată în focar prin arderea combustibilului trebuie să fie acumulată de către suprafaţa de încălzire a căldării şi cedată în timp optim, apei pentru transformarea acesteia în abur. Ţinând cont de faptul că suprafaţa de încălzire este pe

de o parte încălzită de gazele arse şi pe de altă parte răcită de apă, acesteia trebuie să i se asigure o răcire corespunzătoare pentru a se evita supraîncălzirea şi arderea. Răcirea suprafeţei de încălzire se realizează printr-o corectă circulaţie, naturală sau artificială, a apei în căldare. Circulaţia naturală a apei în căldare

Circulaţia naturală a apei în căldare apare ca urmare a apariţiei diferenţei de greutăţi specifice ale apei, în diverse puncte de-a lungul suprafeţei de încălzire.

Apariţia diferenţei de greutăţi specifice este urmare a schimbului de căldură produs în masa apei, când particulele de apă mai calde şi uşoare din imediata vecinătate a suprafeţei de încălzire, se deplasează în sus, iar locul lor este luat de particulele de apă mai reci. În acest mod în masa apei din căldare apare o mişcare ascensională.

Greutatea specifică a apei ( ) este mai mare decât greutatea amestecului apă

– aburi ( ) fapt ce duce la apariţia unei forţe, care impune apei şi amestecului apă – abur o circulaţie ascensională. Forţa este numită – impuls de circulaţie şi se determină cu ajutorul relaţiei :

Un contur elementar de circulaţie constă dintr-un tub de ascensiune şi altul de

coborâre a apei. Ţinând cont de acest lucru se poate concluziona că, circulaţia naturală a apei este determinată de încălzirea neuniformă a acesteia în diferite tuburi din constituenţa căldării. În fig. 7 este reprezentat modul în care are loc circulaţia naturală a apei în căldările acvatubulare. În acest tip de căldare pompa de alimentaţie livrează apa prin intermediul prelungitorului tubului de alimentare (1) dispus pe toată lungimea colectorului superior (2), unde apa proaspăt introdusă este separată de restul apei din căldare prin intermediul separatorului (3).

Prin intermediul tuburilor coborâtoare (4) apa ajunge în colectorul inferior (5). Apa de alimentare, cu temperatură redusă, pe timpul coborârii, continuă să se încălzească şi ajunge în colectorul inferior la o temperatură cu circa 10 ˚C mai mică decât temperatura de fierbere corespunzătoare presiunii din căldare. Din colector, sub efectul presiunii coloanei de lichid, apa pătrunde în tuburile ascensionale (6) unde primeşte o mare cantitate de căldură ajungând până la temperatura de fierbere (saturaţie). Bulele de abur, împreună cu apa care nu sa vaporizat, ajung în colectorul superior, trec prin masa apei şi se acumulează în partea superioară a colectorului. Apa

care nu s-a vaporizat în primul circuit, prin intermediul tubului coborâtor (neîncălzit)(7), pătrunde în colectorul ecranului (8). De aici, amestecul apă aburi pătrunde în colectorul superior prin intermediul tubului următor (9) şi al presiunii coloanei de apă din tubul coborâtor.

Primul contur de circulaţie, aşa cum se vede in fig. 7 este format din ultimele rânduri de tuburi încălzite ale snopului convectiv şi primele rânduri de tuburi ale aceluiaşi snop. Cel de-al doilea contur este format din tuburile de coborâre neîncălzite, dispuse după ecran şi tuburile ecranului.

Căldările acvatubulare se construiesc cu contururi de circulaţie, care dispun de tuburi coborâtoare încălzite şi neîncălzite, pentru a nu se produce vaporizarea întregii cantităţi de apă în tuburile ascensionale. Este deosebit de important ca tuburile ascensionale, aflate în zone cu temperaturi ridicate, să fie răcite în interior de un amestec apă – aburi, care să circule prin tuburi cu o viteză mai mare de 0,3 m/s.

Circulaţia naturală a apei în căldările acvatubulare este caracterizată de raportul dintre cantitatea de apă intrată în tuburile ridicătoare în unitatea de timp şi cantitatea de aburi obţinută în tuburi în aceeaşi unitate de timp. Raportul se notează cu k şi poartă denumirea de – grad de circulaţie.

la căldările navale acvatubulare K este cuprins între 5 şi 30 ceea ce înseamnă

că, din întreaga cantitate de apă care circulă prin tuburile ascensionale, în timp de o oră, numai a 5-a până la a 30-a pate se transformă în aburi, iar restul se menţine sub formă de apă, pentru a răci tuburile şi a preveni arderea acestora. În cazul în care K=1, toată cantitatea de apă existentă în căldare se transformă în aburi, iar răcirea tuburilor nu mai este asigurată, lucru interzis pentru căldările cu circulaţie naturală.

Circulaţia naturală optimă se obţine în căldările în care gradul de circulaţie K≥5, întrucât, în asemenea condiţii în interiorul tuburilor ascensionale este prezentă în permanenţă o peliculă de apă. Atunci când k este cuprins între 1 şi 5, în interiorul tuburilor se formează dopuri de aburi care duc la apariţia deformaţiilor locale şi chiar la arderea acestora. În interiorul tuburilor ascensionale există riscul apariţiei proceselor de separare a apei şi aburului fapt ce duce la avarierea acestora. Prevenirea acestui neajuns se asigură prin montajul tuburilor ascensionale sub un unghi <17˚ faţă de verticala locului. Circulaţia apei este lentă în căldările navale ignitubulare şi accelerată în cele acvatubulare,Circulaţia artificială a apei în căldare

Gabaritul şi greutatea căldării sunt elemente definitorii pentru căldările navale. Pentru a se putea construi căldări de înaltă presiune cu greutate şi gabarit redus sau apelat la soluţia circulaţiei apei în căldare. Acest tip de circulaţie, realizat cu ajutorul unor pompe, poate fi unică sau repetată.

Atunci când K=1, circulaţia apei în căldare este unică întrucât apa introdusă în tuburi face un singur circuit ; pe la un capăt al tuburilor intră apa, iar la celălalt ies aburi. Căldările cu circulaţie artificială au o vatră de cărămidă, au o mare suprafaţă de încălzire şi un gabarit redus. Căldările au un volum foarte mic de apă fapt ce face ca timpul necesar pentru ridicarea presiunii să fie de numai 5-6 minute comparativ cu 30-60 minute pentru căldările cu circulaţie naturală accelerată şi cu 6-24 ore la căldările cu circulaţie naturală lentă.

Căldările la care gradul de circulaţie al apei K este cuprins între 5 şi 8, adică acolo unde din întreaga cantitate de apă introdusă în căldare, în unitatea de timp, numai a 5-a până la a 8-a parte se transformă în aburi, restul apei repetând circulaţia, sunt considerate a fi căldări cu circulaţie a apei repetată. Acest tip de circulaţie se

întâlneşte la căldările acvatubulare cu construcţie specifică deosebită faţă de cele în care circulaţia apei se face natural.

Apa de alimentare, livrată de pompa de circulaţie, pătrunde în tuburi în stare apă abur şi ajunge în colectorul superior unde are loc separarea aburilor de apă. Aburii sunt trimişi în supraîncălzitor, iar apa din colector este aspirată de pompă şi retrimisă în circuit.

Apa de alimentaţie a căldăriiApa pentru alimentaţia căldării este considerată a fi aceea care este destinată

să fie introdusă în căldare. Sărurile conţinute de apă, după vaporizarea acesteia, rămân în căldare şi contribuie la creşterea concentraţiei de săruri în apa din căldare. În apa potabilă, conţinutul de săruri este de aproximativ 0,02% sau 0,2 grame/litru. Dacă această cantitate s-ar depune uniform pe suprafeţele de încălzire ale căldării ar forma un strat cu grosimea de 0,2mm. În realitatea practică depunerea sărurilor este mai accentuată în zonele în care vaporizarea este mai puternică, uzual, în primele tuburi. Pentru ca apa potabilă să fie aptă pentru alimentarea căldărilor, aceasta trebuie să fie tratată în vederea eliminării sau neutralizării sărurilor.

Uzual, căldările acvatubulare maritime folosesc pentru alimentaţie apa provenită din condens, în proporţie de 95% şi apa tratată în proporţie de 5%. Indiferent de provenienţă, apa de alimentaţie trebuie tratată în totalitatea sa. Apa de alimentaţie se deosebeşte foarte mult de apa din căldare, mai ales din punct de vedere al concentraţiei de săruri.

Indicii de calitate, atât pentru apa de alimentaţie cât şi pentru apa din căldare, sunt caracterizaţi prin :

a) – duritate temporară – indică prezenţa bicarbonaţilor de calciu şi magneziu care, prin fierberea apei, se descompun şi formează carbonaţi indisolubili. Carbonaţii se depun formă de nămol, în spaţiul de apă al căldării, fără să participe la formarea crustei.

b) – duritatea permanentă – caracterizează prezenţa sulfaţilor şi a clorurilor de calciu şi magneziu care pe timpul fierberii apei se păstrează dizolvaţi în masa acestora şi contribuie la formarea crustei. Componentul cel mai periculos este

sulfatul de calciu (gipsul ) care formează depuneri solide la suprafaţa spaţiului de apă;

c) – duritatea totală – este indicele care însumează valoarea durităţii temporare şi permanente. Se măsoară în grade de duritate - d - 1˚d=10 mg CaO= 7,14mg MgO1˚d(STAS)= 1˚d(german)=1,786˚d(francez)=1,251˚d(englez)

O apă cu duritatea de 10˚ are un conţinut de 100mg săruri de calciu şi magneziu per litru. Apa este considerată moale atunci când săpunul face spumă, iar când nu face spumă este considerată dură. Caracterizarea apei se face după cum urmează: Apa cu duritate: 0-4˚d – duritate foarte mică

4-8˚d – duritate mică 8-16˚d – duritate medie

16-30˚d - durăpeste 30˚d – foarte dură

d) salinitatea – caracterizează prezenţa şi conţinutul de cloruri: de sodiu (NaCl),

de calciu şi de magneziu (MgCl2) existente în apă. Salinitatea apei

se măsoară în grade Brandt (˚Br). Un litru de apă cu salinitatea de 1˚ Br conţine 10 mg de cloruri. Salinitatea normală a apei din căldare este de 30 ˚Br pentru căldările cu p>30 bar, 50˚ Br pentru p= 17 – 30 bar, 80˚Br pentru p<17 bar. La căldările ignitubulare salinitatea maximă = 1000 ˚Br;

e) - conţinutul de oxigen dizolvat în apă – este indicele care ne informează asupra cantităţii de oxigen dizolvat într-un litru de apă. Acesta este exprimat în miligrame şi are importanţă deosebită pentru apa de alimentaţie a căldărilor de înaltă presiune, unde oxigenul corodează puternic metalul;

f) - numărul bazic – reprezintă cantitatea de hidroxid de natriu (NaOH) conţinută într-un litru de apă;

g) - numărul fosfatic – reprezintă numărul de miligrame de anhidridă fosfatică

conţinută de un litru de apă;h) - indicele de hidrogen (pH) – ne indică concentraţia ionilor de hidrogen în

apă, fiind unitatea de măsură a reacţiei apei Atunci când : pH = 7,0 – apa este neutră; pH<7,0 – apa este acidă; pH>7,0 – apa este bazică.Măsurarea valorii se face cu ajutorul hârtiei indicatoare sau cu ajutorul unui pH-metru. Determinarea alcalinităţii se face prin măsurarea cantităţii de fenolftaleină.Pentru menţinerea calităţii apei , la bord, trebuie să se execute tratarea acesteia atât în căldare cât şi în afara ei.Tratarea apei în afara căldării Apa de alimentaţie, înainte de a pătrunde în căldare, este supusă la operaţii de filtrare mecanică sau chimică pentru a i se îmbunătăţi calităţile. Prin filtrare mecanică, din conţinutul apei se elimină impurităţile de tipul grăsimilor şi de alt tip. Operaţiunea de filtrare se face în basă sau în puţul cald, unde sunt montate filtre capabile să reţină grăsimile din apă. Basa este un tanc cu secţiune dreptunghiulară împărţit în două compartimente prin intermediul unui perete orizontal. Partea de sus este împărţită în cinci camere în care sunt montate diafragmele şi sitele primelor trei camere unde are loc separarea solidelor de apă, iar în ultimele două camere sunt montate filtre cu cocs prin care se face epurarea grăsimilor. Din ultima separaţie, apa se scurge în încăperea inferioară de unde este aspirată de pompele de alimentaţie. Filtrarea chimică are în vedere tratarea apei cu ajutorul unor reactivi chimici, care reacţionează cu sărurile din apă şi formează alte săruri indisolubile, care se depun pe fundul căldării sub formă de nămol şi care poate fi expulzat prin extracţii de fund. Pentru tratare sunt folosiţi reactivi chimici de o largă diversitate al căror rol este, în general, acela de a transforma şi reduce la minim duritatea temporară şi permanentă a apei. În afara căldării, apa de alimentaţie mai poate fi tratată cu succes şi prin operaţiile de prelucrare termică. Procedeul constă din vaporizarea apei de mare în instalaţii, special montate la bord, pentru distilare. O altă metodă de tratare a apei de alimentare este realizată prin operaţia de degazare, care constă în pulverizarea acesteia în mod continuu pentru eliberarea gazelor dizolvate – oxigenul şi dioxidul de carbon. Degazarea se realizează în aparate speciale numite degazoare, care sunt specifice instalaţilor pentru alimentarea căldărilor cu presiune mai mare de 30 bar şi înlocuiesc basa sau puţul cald. Degazoarele sunt tancuri cilindrice prevăzute cu dispozitive de pulverizare a apei şi cu canale speciale de evacuare a gazelor, care pot fi montate în interiorul sau exteriorul compartimentelor de căldări. Tratarea apei în căldare

Apa din căldare, deşi a fost tratată înainte de intrare, mai păstrează o mică cantitate de săruri ale durităţii temporare sau permanente caracteristice care, cu timpul, pot creşte şi deveni periculoase pentru căldare. Pentru reducerea la minim a acestui risc se impune continuare operaţiilor de tratare şi în interiorul căldării. Acest tratament constă din introducerea în căldare a unor reactivi chimici, care să intre în reacţie cu sărurile conţinute în apă, în urma cărora să rezulte săruri solubile care se depun pe fundul căldării sub formă de nămol. Ca reactivi chimici sunt folosite substanţe special pregătite pentru îndepărtarea sărurilor care dau depuneri. Prin tratarea apei din căldare, duritatea acesteia, în timpul funcţionării poate ajunge la mai puţin de 0,1˚d. Pentru tratare, în cele mai multe cazuri, reactivi sunt dizolvaţi în instalaţii situate în afara căldării de unde sunt aspiraţi cu pompa de alimentaţie. Cantitatea de reactiv se alege funcţie de duritatea apei din căldare, determinată printr-o analiză prealabilă şi de recomandarea făcută de fabricant, pentru numărul de grame per fiecare metru cub de apă din căldare. Duritatea şi ceilalţi indici de calitate ai apei de alimentaţie , şi a celei din căldare, trebuie menţinuţi la valori stabilite de normele instrucţiunilor de exploatare. Acestea se controlează şi se determină prin analizele zilnice ale apei. Conţinutul de săruri şi nămolul din căldare se elimină prin extracţiile de suprafaţă şi de fund. Cu această ocazie, din căldare se elimină şi o anumită cantitate de apă care se completează cu apa tratată în afara căldării.Controlul calităţii apei Pentru a se asigura un tratament corect al apei de alimentare şi a celei din căldare este necesar să se asigure un control riguros al calităţii acestora şi alegerea unei cantităţi exacte de reactivi chimici. Este demn de reţinut că, numai controlul periodic al calităţii apei de alimentare permite observarea la timp al deprecierii acesteia. Deprecierea calităţii apei are loc, în special, ca urmare a amestecării acesteia cu apa de mare. Pătrunderea apei de mare în circuitul apei de alimentare poate avea loc ca urmare a :

spargerii tuburilor condensorului;infiltrării în tancurile de depozit;executării unor manevre greşite, etc.

La navele moderne analiza apei de alimentare şi a celei din căldare se face, în laboratorul pentru analize, cu ajutorul unei truse compacte, în general, de către Ofiţerul mecanic III, iar rezultatul se înscrie în registrul pentru analize. Apa din căldare impurificată cu apa de mare trebuie îndepărtată din circuit, prin extracţia totală a căldării, în căldare se va introduce apa curată după depistarea şi îndepărtarea cauzelor care au dus la impurificare. Interpretarea rezultatelor testării Interpretarea corectă a testelor făcute asupra apei căldării dau informaţii considerabile asupra a ce se petrece în masa acesteia, în condens şi în general, în întregul sistem de apă. 1. – starea clorurilor În cazul în care testul indică o creştere rapidă a clorurilor din apă, în comparaţie cu valoarea normală, se vor lua următoarele măsuri:

se va mări frecvenţa extracţiilor până când cantitatea sărurilor dizolvate şi deci, şi nivelul clorurilor va scade sub nivelul maxim admis;dacă nivelul clorurilor este mai mare decât cel admis se va mări frecvenţa extracţiilor şi cantitatea de apă extrasă până ce nivelul scade sub valoarea maxim admisă;

dacă nivelul clorurilor este excesiv, de exemplu de trei ori mai mare decât cel maxim admis, înseamnă că nivelul solidelor este nepermis de mare pentru a se continua funcţionarea căldării. În acest sens căldarea va fi oprită şi i se va face extracţie totală. Se recomandă depistarea sursei de contaminare şi eliminarea ei. Pentru spălarea interioară a căldării de contaminanţi se va folosi apa dulce după care, căldarea se va umple până la nivelul nominal cu apă distilată;dacă citirile clorurilor se modifică brusc dar ceilalţi parametri rămân constanţi, se poate aprecia că reactivul de testare nu este corect – nu are „tăria” necesară. Pentru a verifica calitatea reactivului (nitratul de argint) este necesar să se facă o analiză a probei de apă cu reactiv vechi şi una cu reactiv nou, după care se vor compara rezultatele. Rezultatele similare vor indica aceeaşi calitate a celor doi reactivi.2. – alcalinitatea apei Alcalinitate apei din căldare poate să crească din foarte multe motive, dintre care amintim :folosirea pentru testul de alcalinitate a unui reactiv cu „tărie” inadecvată;executarea unor tratamente chimice adiţionale apei din căldare; folosirea, pentru alimentarea căldării a apei depozitată în tancuri cimentate sau a unei ape cu conţinut ridicat de alcali, etc.

Urmele descreşterii în alcalinitate a apei pot fi observate dacă:contaminarea apei s-a produs ca urmare a folosirii unor alcali pentru precipitarea magneziului; o scădere a fosfaţilor şi o creştere corespunzătoare a solidelor dizolvate şi a nivelului de cloruri – toate în acelaşi timp;reducerea nivelului tuturor constituenţilor apei, prin extracţii de fund nu numai al alcalilor;reactivul folosit a avut o „tărie” incorectă. 3. – solide dizolvate Determinarea nivelului de solide dizolvate în apa din căldare este posibil de realizat printr-o metodă rapidă de înregistrare a creşterii sau descreşterii nivelului de contaminanţi. În cazul în care testarea chimică completă a apei din căldare se face la intervale regulate de timp şi în căldare este asigurată menţinerea unei rezerve de alcalinitate, atunci testarea conductivităţii sau a dizolvării solidelor poate fi folosită ca un mijloc rapid de înregistrare a schimbărilor din sistem. Uzual, aceasta poate fi o procedură de urgenţă. 4. – curăţirea iniţială

Este deosebit de important ca suprafaţa de încălzire a unei căldări noi să fie curată liberă de depuneri de piatră sau de alt gen. Îndepărtarea acestor depuneri se face printr-o tratare chimică pre-iniţială. O asemenea operaţiune se desfăşoară după cum urmează:

degresarea cu substanţe alcaline pentru a îndepărta reziduurile de petrol şi grăsimi;folosirea acidului citric pentru eliminarea scalei şi a ruginii;folosirea acidului citric diluat (slab), pentru prevenirea reprecipitării oxidului de fier;neutralizarea – pentru a se elimina excesul de acizi şi spălarea cu apă, pentru eliminarea tuturor suspensiilor de contaminanţi dizolvaţi;pasivizarea – pentru a obţine un strat magnetic de protecţie pe întreaga suprafaţă metalică a căldării.

Un asemenea proces poate fi executat la intervale de patru – cinci ani, pentru eliminarea oxizilor de fier şi cupru, care se pot acumula în căldare prin coroziune în sistemul de apă.

Curs 4Armătura şi accesoriile căldăriiGeneralităţi

Prin armătura căldării se înţelege totalitatea dispozitivelor dispuse pe colectoare în scopul de a asigura buna funcţionare a căldării şi de reglare a proceselor care au loc în aceasta. Armătura căldării include:

valvulele principale şi auxiliare pentru abur supapele de siguranţă valvulele pentru alimentare cu apăvalvulele pentru extracţie de suprafaţă şi de fundalarmele de nivel minim şi maxim de apămanometrelerobinetele de aerisire, control şi drenajindicatoarele nivelului de apăsistemul de producere a scânteii şi aprinderesistemul de suflare a tuburilorinstrumente de măsură şi control

În general armătura căldării este numită generic „accesorii” şi are importanţa deosebită în funcţionarea şi controlul căldării precum şi în menţinerea acesteia în deplină siguranţă.Funcţionarea sigură a căldării poate fi obţinută numai dacă armăturile sunt alese de calitatea lor. La montarea armăturii se va avea în vedere funcţiile pe care acestea le îndeplinesc şi poziţia în care sunt montate.Supape de siguranţă

Rolul supapelor de siguranţă este acela de a preveni apariţia suprapresiunii în căldare fapt ce face să fie considerată ca drept cele mai importante dintre armături.Pentru căldările ignitubulare ca şi pentru cele acvatubulare de medie presiune sunt folosite supape de siguranţă de tip Cockburn şi supape de siguranţă cu deschidere de mare capacitate. Aceste supape au o capacitate mare de trecere a aburului comparativ cu vechile tipuri de supape armate cu regulator cu arc, considerate a fi supape „ordinare”.

În cazul supapelor de mare capacitate, suprafaţa cerută este de numai 2/3 din suprafaţa calculată pentru supapa „ordinară” în timp ce, pentru supapele cu deschidere de mare capacitate suprafaţa de trecere poate fi redusă la jumătate din suprafaţa supapei ordinare. În acest sens, diametrul tubulaturii de drenare a aburului precum şi diametrul deschiderii practicat în anvelopa căldării are valori corespunzător reduse.Valvulele de abur ale căldării

Căldările navale sunt dotate cu o serie de valvule al căror rol este acela de a pune şi de a scoate din legătură căldarea cu magistrala principală sau auxiliară de aburi. Uzual, pe căldările principale sunt montate următoarele valvule:

valvula principală pentru abur saturat – montată pe colectorul de abur al căldării, are rolul de a uni căldarea cu magistrala principală de abur;valvula principală pentru abur supraîncălzit – montată pe colectorul supraîncălzitorului de abur, face legătura între aceasta şi magistrala de abur supraîncălzit.valvula auxiliară pentru abur saturat – dispusă imediat după valvula principală – conectează tubulatura auxiliară pentru abur cu colectorul căldării.

Toate valvulele prezentate anterior sunt construite astfel încât să permită trecerea aburului numai într-un singur sens – de la căldare spre consumator.

Uzual, principalele valvule pentru abur folosite la căldările ignitubulare sunt de tip subar - ridicare cu şurub , în timp ce pentru căldările acvatubulare sunt folosite valvule de tip cu ventil de reţinere. Valvulele cu ventil de reţinere sau cu auto închidere montate pe căldările acvatubulare acţionează ca un dispozitiv de siguranţă pentru prevenirea pierderii apei din căldare, atunci când două sau mai multe căldări se află în comunicaţie, şi la una dintre ele are loc un accident de spargere a tuburilor.

Valvulele de stop folosite la căldările ignitubulare au formă dreptunghiulară, sunt construite din oţel turnat şi a au ventile de trecere care lucrează pe un scaun confecţionat din gunmetal.În cazul valvulelor folosite pentru abur supraîncălzit, capacul şi scaunul sunt confecţionate din metal Monel, iar corpul valvulelor în toate cazurile trebuie să fie prevăzut cu un sistem corespunzător de drenare.

Valvulele principale de stop ale căldărilor acvatubulare montate pe colectorul de evacuare al supraîncălzitorului, lucrează în condiţii de înaltă temperatură, şi presiune respectiv 450˚C şi 60 bar. Datorită acestor condiţii de lucru, valvulele trebuie să fie construite din materiale corespunzătoare. Atunci când temperatura de lucru este de peste 425˚C, la construcţia valvulelor se foloseşte oţel aliat cu 0,5% molibden pentru a se asigura rezistenţa necesară la temperatură a capacului şi a scaunului valvulei.

Cele mai uzuale tipuri de valvule pentru aburi, folosite la căldările igni şi acvatubulare, sunt prezentate în fig. 1. Modul în care se face fixarea scaunelor în corpul valvulelor este prezentată în fig. 2 după cum urmează:a) – scaunul este confecţionat cu un uşor foc de montaj, este presat la rece în corpul

valvulei după care marginile carcasei sunt ciocănite peste scaun.b) – scaunul, prevăzut cu guler la partea sa superioară şi cu filet exterior fin este

înşurubat în corpul valvulei.c) – scaunul şi ghidul supapei sunt confecţionate dintr-o singură piesă şi este fixat în

corpul valvulei cu ajutorul unor bolturi fapt ce-l face mai uşor demontabil şi înlocuibil.

Valvulele de alimentaţieAu rolul de a pune căldarea în legătură directă cu tubulatura sa de alimentaţie

cu apă.Pentru asigurarea unei alimentaţii eficiente, în orice condiţii de stare, căldările navale sunt prevăzute cu câte două capete de alimentaţie – unul principal şi altul secundar. Funcţional valvulele de alimentaţie pot fi:

simple – permiţând trecerea apei în ambele sensuri; şi cu reţinere – permit trecerea apei numai într-un singur sens de la pompa de alimentaţie spre căldare.

Constructiv valvulele de alimentaţie sunt prezentate în fig. 3. Un cap de alimentare este format dintr-o valvulă simplă şi una de reţinere, pentru a se asigura trecerea apei

numai de la pompă spre căldare – lucru realizabil, în cazul valvulelor simple, numai atunci când

presiunea din tubulatura de alimentaţie este mai mare decât presiunea din căldare. În această situaţie apa pătrunde în colectorul superior al căldării asigurând alimentarea continuă a căldării. Atunci când presiunea din tubulatură scade există riscul ca apa din căldare să se scurgă în sens invers, lucru deosebit de periculos pentru căldare. Pentru a se preveni asemenea accidente pe lângă valvula simplă se montează şi o valvulă cu ventil de reţinere. Ventilul valvulei de reţinere are posibilitatea să se deplaseze numai în plan vertical pentru că piciorul acestuia glisează în orificiul special practicat în capacul valvulei.

Fig.3 Armături din componenţa capului de alimentaţie

Uzual, unele căldări moderne sunt prevăzute cu valvule pentru alimentaţie care au montate în acelaşi corp atât ventilul de reţinere cât şi ventilul valvei, iar altele folosesc valvule prevăzute cu un singur ventil care realizează atât reţinerea cât şi închiderea valvulei. Schema de principiu a unui cap de alimentaţie cu apă este prezentată în fig. 3a.Valvulele pentru extracţia de suprafaţă şi de fund

Rolul valvulelor de extracţie este acela de a asigura executarea, în mod practic sau permanent, a extracţiilor de suprafaţă şi de fund. Prin extracţia de suprafaţă se îndepărtează din căldare grăsimile acumulate pe suprafaţa oglinzii de vaporizare şi se menţine un anumit prag de salinitate a apei. Valvula extracţiei de suprafaţă – prezentată în fig. 4 – este montată pe colectorul superior al căldării şi are ventilul construit sub formă ascuţită, pentru a se realiza o mai bună reglare a debitului de apă ce trebuie sa se scurgă prin valvulă.

Spre deosebire de aceasta, valvula extracţiei de fund are rolul de a permite îndepărtarea din partea inferioară a căldării a depunerilor calcaroase sub formă de mâl, cât şi folosirea parţială sau totală a apei din căldare atunci când situaţia o impune. O astfel de valvulă – figura 5 – este montată în partea inferioară a colectoarelor de apă ale căldării şi este manevrată manual atunci când se execută extracţiile.

Robinetul de aerisire şi de controlUzual, robinetele sunt armături folosite pentru modificarea secţiunii de trecere

a fluidelor. În sistemul instalaţiilor de căldări se folosesc diverse tipuri de robinete, care se deosebesc între ele după tipul constructiv al organelor de închidere. Astfel, deosebim:a) – robinetele cu cep : conic, cilindric sau sferic;

b) – robinetele cu sertar pană sau sertar paralel;c) – robinetele cu reţinere, cu ventil sau cu clapetă;d) – robinete de reglare, cu ventil, cu ac sau cu clapetă fluture. Primele trei tipuri de

robinete sunt numite – robinete de trecere. Pentru utilizare, robinetele trebuie să îndeplinească următoarele:să închidă sigur şi etanş,atunci când sunt deschise să opună o rezistenţă cât mai redusă la trecerea fluidului,să poată fi uşor demontate şi reparate prin înlocuirea sau repararea unor componente,să fie uşor manevrabile şi să aibă o rezistenţă crescută la cât mai multe manevre de închidere – deschidere.

Cel mai adesea, ca robinete pentru aerisirea căldărilor sunt folosite robinetele cu cep montate în partea superioară a colectorului de aburi. Aerisirea se face în scopul eliminării totale a aerului din interiorul căldării. Robinetul, deci, are rolul de a pune în comunicaţie spaţiul colectorului superior cu atmosfera în momentul umplerii căldării cu apă, în faza iniţială a ridicării presiunii şi în timpul golirii apei din căldare.

Ca robinete de control sunt folosite, în general, tot robinete cu cep – fig. 5. De regulă asemenea robinete sunt montate pe căldările de joasă presiune în dreptul nivelului de apă minim şi a celui maxim admis în căldare. La unele căldări ignitubulare se mai întâlnesc şi un al treilea robinet montat în dreptul nivelului mediu (normal) al apei în căldare.

La deschiderea robinetelor, prin tubulaturile conectate la ele se va observa ce anume iese – apă sau abur. Căldările moderne de medie şi înaltă presiune nu sunt dotate cu asemenea robinete de control. În cazul în care totuşi, acestea există, vor fi folosite la determinarea nivelului apei în căldare când numai sunt alte posibilităţi de stabilire a nivelului. Aparate de măsură şi control

Pentru a asigura şi urmării procesul normal de funcţionare a căldării, aceasta trebuie să fie dotată cu o serie de aparate pentru măsură şi control al parametrilor. Scopul acestor dotări este acela de a :

supraveghea şi determina presiunea aburului în căldare;urmări şi măsura nivelul apei în căldare;determina consumul orar de combustibil;măsura debitul de aburi al căldării, temperatura aburului, a aerului şi a combustibilului precum şi a gazelor de evacuare.

Având în vedere cele de mai sus, se poate spune că aparatele de măsură şi control ne ajută să menţinem parametrii căldării în anumite limite funcţionale sigure şi economice.

Din categoria aparatelor de măsură şi control fac parte:Indicatoarele de nivel

Au rolul de a indica în mod fidel şi în permanenţă nivelul apei în căldare. Uzual, ţinând cont de importanţa lor deosebită, căldările navale sunt dotate cu două indicatoare de nivel care lucrează în acelaşi timp şi permit urmărirea şi compararea nivelului de apă din căldare în orice moment. Funcţionarea indicatoarelor de nivel se bazează pe principiul vaselor comunicante în care se găseşte acelaşi lichid.

Montarea indicatoarelor de nivel se face de maniera de a permite ca observarea nivelului optim al apei în căldare să se găsească la jumătatea indicatorului. Nivelul mediu trebuie să se afle la o înălţime de circa 150 – 170 mm deasupra nivelului ultimului rând de tuburi, în cazul căldărilor acvatubulare şi deasupra

nivelului cerului cutiei de foc la căldările ignitubulare. La căldările triunghiulare, indicatoarele de nivel se montează pe capacul frontal al colectorului de abur, simetric faţă de axa verticală a acestuia şi la acelaşi nivel.

La căldările navale sunt folosite următoarele tipuri de indicatoare de nivel: a) - cu sticlă cilindrică – format dintr-o o sticlă de nivel de formă cilindrică fixată cu capetele în două ştuţuri de bronz care prin intermediul unor robinete fac legătura cu spaţiul de apă şi abur al căldării. Sticlele cilindrice au lungimea cuprinsă între 300 – 400mm, diametrul de 12 – 20 mm şi au perete cu grosimea de 3mm. Indicatoarele de acest tip – fig. 7a–sunt specifice căldărilor de joasă presiune – sub 15 bar b) – cu sticlă plată – fig. 7b – folosesc sticle de tip klinger, care pot avea dimensiuni diverse dar au forme identice. Sticla are una din suprafeţe netedă iar alta cu canale triunghiulare. Suprafaţa netedă este montată spre exteriorul indicatorului, iar canalele de pe suprafaţa opusă asigură o nuanţă mai închisă la culoare, din cauza refracţiei lumini, fapt ce permite o mai bună citire a nivelului apei în căldare. Sticla este fixată într-o ramă metalică prevăzută cu un canal cu lăţimea de 17mm şi lungimea de 200mm prin care se face supravegherea sticlei de nivel. Pe rama exterioară sunt marcate trei semne distinctive corespunzătoare nivelelor : minim, mediu şi maxim de apă.

Indicatoarele de nivel cu sticle plate sunt folosite la căldările cu presiunea de regim de până la 50 bar. Sticlele sunt confecţionate cu lăţimi de 20 mm sau 34 mm, şi cu lungimi cuprinse între 240 şi 280mm. La montare se va urmării executarea unei strângeri uniforme a şuruburilor de fixare altfel sticla se va sparge imediat după încălzire.c)– cu plăci de mică – sunt folosite pentru căldările cu presiune nominală mai mare de 50 bar. Sunt foarte asemănătoare cu indicatoarele cu sticlă plată; diferenţa între acestea constă în aceia că în loc de sticlă se folosesc plăci cu mică, care asigură o mare rezistenţă la presiuni şi temperaturi.d) – indicatoare de nivel de la distanţă – sunt folosite la căldări acvatubulare

moderne în scopul de a permite o bună supraveghere a nivelului de apă de la platforma la care fochistul îşi face cartul. Un asemenea indicator de nivel este prezentat în fig. 8. Aşa cum se vede din schemă, coloanele de apă sunt formate din două tuburi comunicante cu niveluri diferite, care sunt echilibrate de către coloana unui alt lichid cu greutate specifică mare. Presiunea coloanelor de apă asupra lichidului greu se modifică odată cu variaţia nivelului apei incolore şi va oscila într-un indicator de nivel corespunzător cu variaţia nivelului.

Cel mai adesea la căldările navale se utilizează indicatoare de nivel de tipul celui prezentat în fig.9

În această instalaţie partea inferioară a indicatorului până la jumătatea sticlei de nivel, este umplută cu – tetraclorid - . Tetracloridul este un lichid incolor, obţinut din reziduuri petroliere a cărui greutate specifică este = 1,8 kgf/dm³ şi care pentru o mai bună vizibilitate se amestecă cu praf de pilitură roşie.

Nivelul apei din căldare corespunde nivelului indicat în braţul din stânga. Orice creştere a nivelului de apă în colectorul căldării determină o creştere a nivelului apei în braţul stâng al instalaţiei ducând la creşterea presiunii hidrostatice asupra tetracloridului din decantor.

Pe timpul supravegherii funcţionării acestui indicator de nivel se va ţine cont de faptul că:

instalaţia, în întregime, trebuie să fie etanşă;se întârzie puţin variaţia nivelului de apă în sticla de nivel coborâtă pe timpul variaţiilor bruşte de sarcină ale căldării;indicatorul nu funcţionează atunci când sticla de pe căldare este spartă sau se face purjarea sticlei;indiferent de gradul sau de precizie permanent se va face comparaţie cu indicatorul de nivel de pe colector.

Verificarea indicatoarelor de nivelAşa cum s-a specificat, la căldările ignitubulare de joasă presiune, ca

indicatoare de nivel sunt folosite sticle de nivel cilindrice, care sunt montate pe căldare în unul din modurile prezentate în fig.10.

Pentru verificarea indicatoarelor de nivel procedura adoptată este o funcţie de modul în care acestea sunt montate pe căldare. În cazul în care sticla de nivel se află în legătură directă cu apa din căldare ca în montajele (a) şi (b), pentru a vedea dacă robineţii sticlei sunt în bună stare întâi se închid ambii robineţi şi apoi se deschide robinetul de purjă. După aceea cu purja deschisă, se deschide întâi robinetul superior, apoi cel inferior, permiţându - se purjarea sticlei prin golirea apei. În acest mod se verifică buna funcţionare a armăturilor şi indicarea corectă a nivelului apei în căldare.

În situaţia în care montajul sticlelor de nivel este cel reprezentat în poziţiile (c ) şi (d) existenţa unor tubulaturi ş ia unor robineţi suplimentari măresc riscul ridicării defectuoase a nivelului de apă. Pentru verificarea coloanelor de apă în primul rând se probează conexiunile inferioare prin închiderea robinetelor A şi B şi deschiderea robineţilor C, D şi E; dacă apa curge liber prin robinetul de purjă (E) conexiunea este în ordine. În eventualitatea în care una din conexiuni nu este în ordine, se face o testare încrucişată pentru determinarea robinetului defect. Pentru aceasta se închid robineţii A şi D şi se lasă deschişi robineţii C, B şi E după care se închid robineţii C şi B lăsând deschişi pe A, D şi E.

În cazul montajului prezentat în fig. (d) – sticla montată pe o coloană cu partea centrală plină – verificarea se face ca în cazul montajelor de la (a) şi (b) .Revizia armăturilor indicatoarelor de nivel

Revizia armăturilor sticlelor de nivel trebuie să se facă cel puţin la fiecare inspecţie a căldării. Cu această ocazie trebuie să ne asigurăm că orificiile de trecere din robinete, tubulaturi şi coloane sunt libere de obstrucţii. Mânerele robinetelor trebuie să fie poziţionate de manieră ca atunci când sunt în poziţie verticală, înspre în jos – fig. 9. – aceasta să reprezinte poziţia lor normală de lucru - apă şi abur deschis – purjă închisă.

În situaţiile în care sticlele sunt prevăzute cu valvule şi nu cu robinete, se vor inspecta indicatoarele de „închis/deschis”. Orice mâner de robinet care a fost folosit, trebuie repus imediat pe poziţia sa normală de lucru.

Sticlele de nivel, chiar dacă nu se sparg, după o funcţionare îndelungată devin mate şi nu mai asigură o citire corectă a nivelului apei din căldare, motiv pentru care, din timp în timp, acestea trebuie să fie înlocuite. La montarea unei sticle noi trebuie să ne asigurăm că aceasta are lungimea corectă. O lungime pre mare poate restricţiona sau chiar bloca conexiunea cu aburul, iar o sticlă prea scurtă poate obtura partea inferioară.Manometre şi termometre

În marea lor majoritate, funcţionarea manometrelor folosite la căldările marine se bazează pe principiul Burdon. Constructiv un astfel de manometru este prezentat în fig. 11. Componenta principală a manometrului o constituie un tub, confecţionat din bronz sau oţel inoxidabil a cărui secţiune transversală are formă ovală şi care este îndoit sub forma unui arc. Unul din capetele tubului este închis iar celălalt este pus în legătură cu camera de abur a căldării. Sub acţiunea presiunii interioare, tubul tinde să se îndrepte determinând capul tubului 2 prin pârghia 3 să acţioneze sectorul dinţat 4 în jurul axei 5. Tot sectorul dinţat 4 răsuceşte şi roata dinţată 6 pe axul căreia se află acul indicator 7, care se va opri cu vârful în dreptul unei valori marcate pe cadranul manometrului. Atunci când manometrul nu se află sub presiune indicatorul trebuie să se sprijine pe un ştift montat special.

Este foarte important să fim siguri că ştiftul este fixat şi rămâne la poziţie. Au fost cazuri când lipsa acestui ştift a permis acului indicator să înceapă un al doilea circuit pe cadranul manometrului şi astfel să indice o valoare falsă – mai mică – a presiunii când de fapt, căldarea se afla în situaţia unei periculoase supra presiunii.

Punerea manometrului în legătură cu căldarea se face prin intermediul unui tub, de formă spirală sau sifon, umplut cu condensat, pentru ca în manometru să nu pătrundă direct aburul şi să-l încălzească nepermis.

Manometrele nu trebuie să fie fierbinţi pe timpul funcţionării uzual construcţia manometrelor este făcută să asigure un grad de precizie egal cu 1% din valoarea maximă înscrisă pe scală. Montajul manometrelor se face în poziţie verticală, exceptând modele special construite, şi trebuie să fie controlate în mod regulat pentru exactitatea indicaţiei.

Pentru măsurarea temperaturii diverşilor parametrii ai căldărilor sunt folosite următoarele tipuri de termometre:a) – termometre cu mercur – sunt termometre de sticlă, de diverse tipuri

constructive, introduse în armături metalice de protecţie contra spargerii. Termometrele cu mercur se folosesc la măsurarea temperaturilor de până la 850˚ C. Peste această valoare există riscul fierberii mercurului. Pentru a se prevenii acest neajuns şi pentru a se mării plaja de măsurare până la valori de 550˚C, deasupra mercurului se introduce azot la o presiune de 10 bar. Indicaţiile acestor termometre nu pot fi transmise la distanţă;

b) – termometre manometrice – au forma prezentată în fig. 12 şi pot transmite indicaţii exacte de temperaturi până la o distanţă de circa 60 metri faţă de locul măsurării.

Aceste termometre funcţionează pe principiul variaţiei presiunii în raport cu temperatura mediului din interiorul manometrului tubului şi a elementului termic. Tubul flexibil capilor este lipit cu un cap la elementul termic şi cu celălalt la manometrul care are cadranul gradat în grade Celsius. Elementul termic în funcţie de limitele temperaturii de măsurat se poate umple cu fluide ca: spirt, mercur etc. Odată cu creşterea temperaturii elementului termic, fluidul aflat în interiorul său vaporizează intens fapt ce duce la creşterea presiunii care se transmite manometrului. c) – pirometre termoelectrice – sunt folosite pentru măsurarea temperaturilor înalte. Funcţionarea acestora se bazează pe faptul că, în punctul de îmbinare prin lipire a două metale diferite, în timpul încălzirii ia naştere un curent electric a cărui valoare variază cu temperatura. Aşa cum se vede din fig.14 un astfel de termometru este format dintr-un termocuplu (1) conductori electrici (2) şi un galvanometru (3) al cărui cadran este gradat în grade centigrad.

d)– pirometre optice – sunt folosite pentru măsurarea temperaturilor foarte înalte – până la 1800˚C – în focarul căldării sau în alte puncte ale circuitului gazelor arse. Aceste pirometre se pot monta la distanţe apreciabile faţă de mediul a cărui temperatură trebuie să o indice, nefiind necesar un contact direct între acestea. Măsurarea se face prin compararea energiei de radiaţie. Ca etalon pentru comparaţie se foloseşte filamentul unui bec electric care, prin reglarea curentului poate radia în mod diferit permiţând compararea intensităţii luminii radiate de corpul încălzit.Alarme pe nivel minim de apă şi oprirea combustibilului

Societăţile de clasificare impun ca la căldările marine să existe sisteme de alarmă pentru nivel minim de apă. La căldările acvatubulare sunt necesare două astfel de alarme în timp ce, la căldările ignitubulare o singură alarmă este considerată a fi suficientă. Echipamentele trebuie să fie capabile să acţioneze în sistem de alarmare optic şi sonor şi să oprească automat alimentarea cu combustibil a arzătorului atunci când nivelul de apă din căldare scade sub o anumită valoare predeterminată.

Având în vedere cantitatea redusă de apă existentă în căldările acvatubulare precum şi rata de vaporizare foarte ridicată este necesar ca, pentru prevenirea unor avarii deosebite, pentru nivel minim de apă să existe un sistem de alarmare. Mecanismul de alarmă pentru nivel minim de apă şi oprire a combustibilului poate fi montat atât în interiorul colectorului de abur cât şi în exteriorul acestuia. Pentru montajul exterior sunt necesare conexiuni pentru aburi şi apă cu colectorul.

Iniţial, acest mecanism operaţional constă dintr-un flotor conectat la o valvulă cu ac. Ventilul valvulei este ţinut pe scaunul sau prin acţiunea flotorului atunci când nivelul apei se află deasupra nivelului minim permis. În eventualitatea că nivelul apei scade la un nivel minim periculos, ventilul valvulei deschide şi permite aburului din sistem să treacă printr-o alarmă sonoră şi să închidă alimentarea arzătorului de combustibil. O alarmă de nivel minim de acest tip este prezentată în fig. 15.

La căldările moderne asemenea sistem de alarmă şi întrerupere a alimentării cu combustibil este parte integrantă a sistemului de alimentare cu apă, care numai este acţionat de către abur ci de către întrerupătoare electrice sau relee pneumatice şi sunt operate prin acţiunea unor mecanisme de tip flotor magnetic, instrumente de presiune diferenţială şi capacitoare de tip nivel.Suflătoare de funingine

Pentru menţinerea suprafeţelor de încălzire a căldărilor la stare curată periodic acestea trebuie să fie suflate pentru îndepărtarea depunerilor de funingine care se întâlnesc în toate pasajele de trecere a gazelor arse.

Suflătoarele de funingine trebuie să fie montate în poziţii convenabile astfel ca toate suprafeţele de încălzire, tuburi, supraîncălzitoarele, economizoarele şi încălzitoarele de aer să poată fi menţinute în condiţii de curăţenie. Se recomandă ca suflarea depunerilor de funingine să se facă la cel puţin 12 ore.

Operaţiunea de curăţire este executată prin intermediul jeturilor de apă sau aer de înaltă presiune, care acţionează astfel încât să acopere toate părţile de încălzire.

Suflătoarele de funingine folosite la căldările ignitubulare – prezentate consecutiv în fig.16, sunt situate în camerele de ardere, iar duzele, confecţionate din oţel înalt rezistent la temperatură, sunt dispuse astfel încât, atunci când nu sunt în operaţiune să poată fi retrase în carcasa de protecţie.

Această carcasă, în general este un tub este un tub care trece prin spaţiul de apă situat între peretele dorsal al căldării şi peretele dorsal al cutiei de foc şi este, în acest fel, bine răcit.

În cazul căldărilor acvatubulare suflătoarele de funingine folosesc, la fel, aer sau abur de înaltă presiune şi pot fi acţionate manual sau automat. Suflătoarele cu o singură duză retractabilă – prezentate în fig. 16, uzual, sunt instalate în focare şi în alte zone cu temperatură ridicată.Elementul de susţinere a duzelor multiple este protejat până la retractare şi este pus în poziţie de suflare prin intermediul unui sistem cu şurub fără sfârşit după care, se operează cama care acţionează supapa de admisie a aburului. Unghiul de suflare este controlat prin forma camei iar jetul puternic de abur este dirijat numai pe direcţia dorită.

Acest tip de suflătoare este foarte eficient în serviciu şi are o durată de folosire foarte lungă chiar şi în cele mai dificile condiţii de lucru. Valvula de distribuţie este ţinută închisă de către presiunea aburului iar înălţimea de refulare este funcţie de presiune numai pe timpul operaţiilor de suflare; garniturile se schimbă uşor, cu garnituri metalice, în timpul funcţionării căldării, iar toate componentele sunt confecţionate din aliaje metalice rezistente la temperaturi înalte.

Elementul de susţinere a duzelor multiple este protejat până la retractare şi este pus în poziţie de suflare prin intermediul unui sistem cu şurub fără sfârşit după care, se operează cama care acţionează supapa de admisie a aburului. Unghiul de suflare este controlat prin forma camei iar jetul puternic de abur este dirijat numai pe direcţia dorită.

Acest tip este foarte eficient ]n serviciu şi are o durată de folosire foarte îndelungată chiar şi în cele mai dificile condiţii de lucru. Valvula de distribuţie este ţinută închisă de către presiunea aburului iar înălţimea de refulare este funcţie de presiune numai pe timpul operaţiilor de suflare; garniturile se schimbă uşor, cu garnituri metalice, în timpul funcţionării căldării, iar toate componentele sunt confecţionate din aliaje metalice rezistente la temperaturi înalte.

Aceste suflătoare pot fi acţionate manual sau automat. În cazul în care carcasa suflătorului trece prin pereţii focarului duza este supusă la temperaturi foarte ridicate, chiar şi când este retardată, fapt ce face necesară montarea unei conexiuni de aer direct de la ventilatorul pentru răcirea carcasei.

Folosirea sistemului de suflare cu aer implică existenţa unui compresor pentru aer care să livreze circa 3,5 m³de aer pe minut la opresiune de 8-14 bar, şi o butelie cu capacitate de 3,5m³ aer. Controlerul şi suflătoarea de acest tip este prezentat în fig.17.

Succesiunea operaţiilor începe prin rotirea manuală a valvulei pentru alimentarea cu aer; terminaţia operaţilor se face automat atunci când controlerul principal a completat ciclul pentru toate unităţile de suflare de suflare; a fost oprită funcţionarea compresorului şi a fost declanşată alarma sonoră.

Fiecare suflător este de tip multi – jet rotativ şi livrează o serie de suflări cu aer cu durată de o secundă, timp în care fiecare element este rotit cu unghi de 17,5˚. În perioada dintre suflări compresorul restabileşte presiunea de aer di butelie timp în timp de aproximativ un minut. După aceasta, aerul de comandă repune în mişcare clinchetul de comandă pentru deplasarea pistonului, se începe rotirea elementului şi acţionarea valvulei pentru aerul de suflare. Controlerul de comandă dispune de un mecanism de rotire similar al cărui rol este de a regla alimentarea cu aer de comandă pentru o rotaţie completă a elementului de suflare şi de a transfera alimentarea cu aer la următorul suflător.

Este foarte important ca pe timpul exploatării căldării, suflătorul să opereze numai pe un arc de 90˚. Uzual, dereglarea acestei valori are loc, în special, după executarea reparaţiilor sau inspecţiilor la căldări, când suflătorul a fost demontat. Când există dubii asupra acestei poziţionări trebuie să se facă remedierile necesare cu proximă ocazie.

Accesoriile interne ale căldării

Având în vedere condiţiile deosebite în care lucrează căldările navale, pentru buna funcţionare, in interiorul acestora sunt montate o serie de accesorii care participă nemijlocit la desfăşurarea proceselor fizice ce se desfăşoară în căldări. În cazul căldărilor acvatubulare, aşa cum se vede în fig. 18, majoritatea accesoriilor interne sunt montate în colectorul superior

Accesoriile interne ale căldării sunt reprezentate prin : a) – tubul culegător de vapori – aburul produs prin intermediul unui tub cu o formă specială montat în partea superioară a colectorului de abur. Tubul mai are rolul de a reduce; pe cât posibil, cantitatea de apă din abur. Construcţia şi modul de fixare a tubului este prezentată in fig.19.

Tubul este fixat cu partea sa exterioară prevăzută cu crestături transversale cu lăţimea de 8mm; destinate captării aburului; la o distanţă de 80mm faţă de suprafaţa interioară a colectorului. În general, diametrul tubului culegător variază între valorile de 160-280mm, şi este funcţie de cantitatea de abur generată de căldare. Pentru un montaj şi întreţinere uşoară, tubul culegător este construit din mai multe tronsoane de formă conică; confecţionate din oţel cu grosimea de 3-4 mm. b) – placa calmantă –este confecţionată din tablă de oţel cu grosimea de 3mm, şi este folosită ca mijloc fizic de asigurare a unei distribuţii uniforme a bulelor de abur, pe toată suprafaţa oglinzii de vaporizare şi prin aceasta prevenirea formării cocoaşei de vaporizare.

La căldările navale moderne, placa calmantă are orificii cu diametre cuprinse între 8 şi 22mm şi este dispusă sub oglinda de vaporizare la adâncimi cuprinse între 40-200mm. Numărul total al orificiilor practicate este cuprins între 4000şi 6000.Dispunerea plăcii se face de maniera de a proteja întreaga suprafaţă a oglinzii de vaporizare. Pentru a putea fi introdusă în căldare, placa calmantă este confecţionată din mai multe secţiuni cu dimensiuni care pot trece prin autoclava de la colector.

Placa calmantă asigură reducerea umidităţii aburului de la 8%, cazul căldărilor fără placă calmantă; la circa 2%, în plus, are rol de stabilizator al nivelului apei atunci când nava este supusă la ruliu, împiedicând trecerea rapidă a apei dintr-un bord în altul asigurând astfel stabilitatea apei în căldare.c) – prelungitorul tubului de alimentaţie – la căldările acvatubulare alimentaţia cu

apă se face numai în colectorul superior. Distribuirea apei în interiorul colectorului se face prin intermediul prelungitorului tubului de alimentaţie. Forma şi modul de dispunere a acestui tub depinde de tipul constructiv al căldării. Constructiv, prelungitorul poate fi simplu sau bifurcat fiind dispus pe toată lungimea colectorului, este prevăzut cu orificii cu diametrul de 5mm pentru scurgerea apei şi are capătul opus intrării apei obturat.Dispunerea tubului prelungitor se face in totdeauna cu orificii în jos şi niciodată

în zona centrală a colectorului pentru a se evita lipirea bulelor de abur pe suprafaţa interioară a primelor rânduri de tuburi fierbătoare şi prin aceasta arderea lor.

Tubul prelungitor este confecţionat din mai multe tronsoane din tuburi de oţel unite prin flanşe, al căror diametre depind de cantitatea de apă ce se introduce în căldare iar fixarea lui se face cu ajutorul unor coliere prinse de colector sau de traversele plăcii calmante. d) – separatorul apei de alimentaţie – se montează în colector aşa cu este prezentat în fig. 20 pentru a se evita contactul direct dintre apa de alimentare şi bulele de abur şi pentru a nu permite pătrunderea bulelor în tuburile coborâtoare. Separatorul este construit dintr-o tablă de oţel cu grosimea de 3-4mm, dispusă pe lungimea colectorului între prelungitorul tubului de alimentaţie şi colectorul căldării.

Un capăt al separatorului se fixează de traversa plăcii calmante iar celălalt de un cornier, fixat prin şuruburi în peretele colectorului iar partea sa inferioară se fixează după ultimul rând de tuburi de coborâre şi înaintea celor de ascensiune. În partea inferioară separatorul este prevăzut cu decupări pentru a permite scurgerea apei atunci când se face golirea apei. e) – pâlnia extracţiei de suprafaţă – este montată în colectorul superior cu scopul de a reduce concentraţia mare de săruri şi de a îndepărta grăsimile aflate la suprafaţa oglinzii de vaporizare. Pâlnia este confecţionată di tablă de oţel cu grosimea de 3mm, este montată în centrul colectorului la o distanţă cu prinsă între 10-60mm sub nivelul minim de apă, şi prin intermediul unei tubulaturi este pusă în legătură cu valvula de extracţie. Funcţie de lungimea colectorului, în acesta pot fi montate una sau două pâlnii – fig.21.

Fixarea acestora se face pe traversele plăcii calmante sau de tuburile de alimentare. f) – zincurile căldării – au rolul de a proteja metalul căldării împotriva procesului electrochimic ce are loc ca urmare a potenţialelor electrice diferite pe care le are le au diversele metale folosite în construcţia căldării. Pentru protecţia se montează plăcile de zinc electrolitic cu dimensiunile 300x300x25 mm sau 300x150x25 mm, care la montaj trebuie să facă un bun contract cu metalul colectorului. Plăcile de zinc se montează în cutii din tablă perforată, pentru a preveni căderea particulelor de zinc, în tuburile căldării, ca urmare a descompunerii plăcilor.

Curs 5Exploatarea căldărilor navale

GeneralităţiPentru ca o căldare să poată fi pusă în funcţiune, după o oprire oarecare, este

necesar ca aceasta să fie pregătită să ajungă într-o stare termică care să-i permită acest lucru. La bord, pregătirile pot fi făcute fie pentru cazul în care căldarea se află după o scurtă staţionare, fie pentru cazul unei staţionări îndelungate sau după reparaţii. O atenţie deosebită se va acorda celei de a doua situaţii.

În cazul în care căldarea este deschisă, înainte de inchidere, se va proceda la o inspecţie interioară minuţioasă pentru a ne convinge că toate accesoriile interne sunt bine montate şi fixate , că nu sunt corpuri străine şi că suprafaţa interioară este suficient de curată. După terminarea inspecţiei se procedează la închiderea căldării, prin montarea autoclavei pe garnituri noi şi se începe controlul exterior al instalaţiei procedându-se după cum urmează:

se verifică starea de fixare a căldării pe postament şi dacă aceasta are posibilitatea de dilatare în direcţiile prevăzute prin construcţiese închid toate valvulele de pe căldare cu excepţia robinetului de aer, care trebuie să rămână deschis.Se controlează starea şi modul de fixare al armăturilor căldării;Se verifică starea zidăriei focarului şi a altor dispozitive ale acestuia;Se verifică starea manometrelor şi a tuburilor de legătură cu căldarea; robinetele se izolează se manevrează în ambele sensuri pentru a putea fi gata de folosire în caz de nevoie;Se face un control amănunţit al compartimentului şi se înlătură obiectele străine, care prezintă pericol de incendiu;Se inspectează starea aparatelor şi a mecanismelor auxiliare şi se pregătesc pentru funcţionare;Se verifică starea santinelor compartimentului, modul de funcţionare a mijloacelor de stingere a incendiilor şi starea închiderii etanşe.

După terminarea controlului se începe umplerea căldării cu apă, astfel încât nivelul de lichid să nu depăşească 1/3 din înălţimea sticlei de nivel. După încălzire apa îşi măreşte volumul şi nivelul în sticlă atinge înălţimea nivelului normal. Nivelul apei din căldare trebuie să asigure acoperirea cu apă a celor mai înalte suprafeţe încălzite ale căldării. Pe timpul introducerii apei, robinetul de aer trebuie să rămână deschis pentru a se asigura evacuarea aerului din căldare.

În cazul în care căldarea, aflata după o scurtă staţionare, a fost umplută cu apă până la robinetul de aer, este necesară golirea prin valvula extracţiei de fund, a unei cantităţi de apă, care să asigure un nivel normal la sticla de nivel. Este recomandabil ca temperatura apei introdusă în căldare să aibă valoarea apropiată de temperatura căldării, pentru a se evita tensiunile termice în metalul acesteia. Pe timpul umplerii cu apă se vor urmări, depista si înlătura scăpările de apă pe la flanşe şi neetanşeităţi.

In situaţia in care căldarea se află după o staţionare scurtă, din programul sau de pregătire lipseşte numai secvenţa controlului interior.

Ridicarea presiunii la căldareRidicare presiunii in căldare se poate face în următoarele situaţii:

de la rece – căldarea se află după staţionare şi are o presiune egală cu zero.

de la cald – căldarea este caldă dar presiunea este mai mică decât presiunea de regim.

În realitatea practică există cazuri când ridicarea presiunii din căldare trebuie să se facă în situaţii când :a) – nava nu dispune de nici un fel de energie

În această situaţie, cu ajutorul unei pompe de mână se introduce motorină într-un tanc cu combustibil, cu capacitatea de 200-400 litri, situat la o înălţime de 2-4 m, faţă de nivelul pulverizatoarelor. Din acest tanc, prin intermediul unei tubulaturi, combustibilul ajunge, prin cădere, la pulverizatoare. Aprinderea combustibilului se face cu feştila aprinsă, introdusă printr-un orificiu special practicat, în capac, lângă pulverizator, care este dirijată pe direcţia axei pulverizatorului, pentru aprinderea combustibilului. După aprindere, feştila se scoate din focar şi se introduce într-un sistem de stingere montat lângă căldare.

În situaţia în care combustibilul nu s-a aprins se repetă operaţia. Când combustibilul pulverizat s-a aprins, căldura degajată prin ardere se transmite apei din căldare unde începe procesul de vaporizare. Aburul format se ridică în spaţiul superior al colectorului şi cu cât cantitatea sa creşte,creşte şi presiunea în căldare. Atunci când prin robinetul de aer iese abur, robinetul se închide. Când presiunea aburului din căldare atinge valoarea de 5-6 bar, se deschide uşor valvula auxiliară, prin care se transmite abur la mecanismele auxiliare, se începe încălzirea acestora şi apoi punerea în funcţiune.

Pe timpul ridicării presiunii în acest mod, cel puţin pentru prima fază – până la pornirea mecanismelor auxiliare – la coşul căldării se degajă o mare cantitate de fum negru, din cauza lipsei sau insuficienţei aerului pentru combustie.b) – nava dispune de energie electrică

Procesul de ridicare a presiunii în asemenea situaţii constă din aceleaşi faze caracteristice. În prima fază, dispunând de energie electrică, pot fi folosite numai mecanismele şi aparatele auxiliare, care pot funcţiona cu asemenea energie; cum ar fi pompa de combustibil, ventilatoarele şi preîncălzitoarele de combustibil. Faza a doua a procesului de ridicare a presiunii începe odată cu realizarea unei presiuni de 5-6 bar în căldare şi pornirea celorlalte mecanisme auxiliare care funcţionează cu abur. c) – nava dispune de abur în asemenea situaţie presiunea poate fi ridicată cu ajutorul aburului existent la bord, provenit de la alte căldări sau caldarine sau cu ajutorul aburului primit de la o altă navă. Ca şi în celelalte situaţii, ridicarea presiunii, începe odată cu aprinderea combustibilului livrat de către o pompă antrenată de o maşină primară ce funcţionează cu abur.Preîncălzirea combustibilului se face cu abur prelucrat în mecanismele auxiliare sau provenit din tubulatura auxiliară de abur.

Primirea aburului de la o altă navă se face prin intermediul unor racorduri speciale montate pe puntea principală, în ambele borduri.

La căldările acvatubulare, timpul necesar pentru ridicarea presiunii variază între 30 şi 60 de minute, funcţie de volumul de apă al căldării. În cazul căldărilor ignitubulare timpul este cuprins între 6 şi 30 ore, întrucât aceste căldări au un volum mare de apă şi o suprafaţă de încălzire relativ mică. La căldările moderne, pe timpul ridicării presiunii se pot arde 25-40% din consumul maxim de combustibil.

Următoarea etapă, după punerea căldării în funcţiune, o reprezintă punerea căldării în comunicaţie cu maşinile care funcţionează cu abur. Pentru aceasta este necesară pregătirea tubulaturii magistrale de abur care, înainte de a suporta circulaţia aburului cu parametrii de regim, trebuie adusă la o stare termică cât mai apropiată de

regimul de lucru. Încălzirea magistralei de abur se face prin deschiderea parţială a valvulei principale de abur, astfel încât aburul să poată încălzi tubulatura şi armăturile montate pe ea. Condensul format pe tubulatură se scurge prin intermediul unei tubulaturi de purjare, prevăzute cu robineţi, montate în anumite puncte pe traseu. În momentul în care prin purji iese abur viu, se consideră terminată perioada de încălzire a tubulaturii, purjile se închid şi valvula de abur se deschide complet.

Dacă la aceeaşi magistrală de abur sunt conectate mai multe căldări aflate sub presiune, conectarea altei căldări se va face numai când presiunea sa de regim este mai mare cu cel puţin 0,5 bar decât presiunea aburului din tubulatura magistrală. În caz că nu se respectă această condiţie, căldarea nu livrează abur în magistrală, iar presiunea va tinde să se egalizeze în întreaga instalaţie de căldări.

Când căldările au atins presiunea de regim se impune verificarea funcţionării supapelor de siguranţă fie prin manevrare manuală, fie prin creşterea presiunii cu circa 0,5-0,7 bar peste valoarea presiunii de regim.Supravegherea funcţionării căldării

În momentul în care căldările sunt conectate la tubulatura magistrală de abur, se consideră că acestea pot să alimenteze principalii consumatori de abur de la bord. Pentru asigurarea unei bune funcţionări a instalaţiilor şi livrarea aburului pentru o perioadă lungă de timp, este necesară realizarea unui program corect de supraveghere a funcţionării căldărilor. În timpul funcţionării căldării un loc principal în ocupă supravegherea următoarelor: a) – alimentarea căldării cu apă

Supravegherea nivelului de apă în căldare şi menţinerea lui la o valoare constantă în sticlele de nivel, cade în sarcina fochistului. În cazul căldărilor acvatubulare, întreruperea alimentaţiei cu apă pentru o perioadă de 1-2 minute duce la evaporarea completă a apei din căldare şi la arderea acesteia. Uzual, nivelul apei în sticlele de nivel trebuie să oscileze uşor în dreptul semnului de valoare medie marcat pe indicatoarele de nivel. Dacă nivelul apei rămâne nemişcat comunicaţiile sticlelor cu căldările sunt înfundate, astfel că în sticle există apă dar în căldare nivelul este insuficient sau invers.

Controlul sticlelor de nivel se face prin purjarea acestora la fiecare sfert de oră timp de 2-3 secunde. Pe timpul purjării apa trebuie să dispară din sticle, iar după închiderea robinetului trebuie să reapară.

Dacă din diverse motive una dintre sticlele de nivel a fost scoasă din uz, funcţionarea căldării numai cu o singură sticlă se admite pentru o perioadă de maxim 20 minute, timp considerat ca suficient pentru înlocuirea sticlei defecte. În caz că după cele 20 de minute căldarea a rămas tot într-o sticlă de nivel se va proceda la oprirea căldării şi remedierea avariei. O căldare acvatubulară poate funcţiona peste 20 de minute numai cu o singură sticlă de nivel, numai cu condiţia asigurării unei supravegheri stricte şi numai în cazuri de forţă majoră, când viaţa echipajului şi a navei depinde de funcţionarea continuă a căldării. La căldările ignitubulare problema nivelului de apă nu este la fel de strictă, întrucât acestea au volum mai mare de apă şi un consum mai mic de combustibil.

La dispariţia apei din sticlele de nivel ale căldării acvatubulare aceasta se opreşte imediat indiferent de timpul cât sticla a rămas fără apă. Ţinând cont de acest lucru, concluzia care se trage este că funcţionarea căldării fără apă la sticlele de nivel este strict interzisă. Aceeaşi interzicere se aplică şi pentru alimentarea cu apă a căldării aflate în asemenea situaţie.

În această situaţie, căldarea se opreşte se lasă la răcit şi se inspectează la exterior, pentru depistarea eventualelor deformaţii în structura sa metalică şi numai în cazul în care acestea nu au apărut, căldarea se alimentează cu apă şi se reaprind focurile. b) – supravegherea arderii

Arderea combustibilului în căldare este sursa de căldură care asigură vaporizarea apei din căldare. O ardere incorectă reduce randamentul căldării, produce fum la coş şi nu produce un abur cu parametri normali. Conducerea arderii este în sarcina fochistului, care trebuie să acorde o atenţie deosebită funcţionării pulverizatoarelor şi menţinerea temperaturii combustibilului la valori de circa 80-90˚C, la ieşirea din preîncălzitor.

Canalele interioare ale pulverizatoarelor mecanice trebuie să fie menţinute în stare curată, pentru a permite pulverizarea uniformă a combustibilului la o valoare de circa 30bar. Obturarea canalelor de pulverizare duce la dereglarea arderii.

Temperatura combustibilului joacă un rol determinant în desfăşurarea arderii. Dacă temperatura este scăzută lichidul devine vâscos şi se îngreunează trecerea prin canalele pulverizatorului şi pulverizarea sa. O bună combustie se obţine atunci când combustibilul pulverizat în focar arde complet şi în timp util şi este caracterizat de:

claritatea gazelor de coş;culoarea roză a gazelor în interiorul focarului; atunci când se priveşte prin vizor se văd clar cărămizile de pe peretele opus;zgomotul constant, fără vibraţii, produs de pulverizatoare.

Supravegherea arderii se face prin intermediul unui periscop, montat cu vizorii în dreptul fiecărei căldări, prin intermediul căruia se poate urmări filamentul unei lămpi electrice dispusă în partea opusă coşului. Când filamentul se vede clar înseamnă că gazele sunt transparente, produse în urma unei combustii corecte.

Culorile gazelor de la coşul navei ne dau informaţii asupra naturii arderii, după cum urmează:

gaze transparente – ardere completă gaze de culoare închisă – lipsa de oxigen, ardere incompletăgaze de culoare galben deschis – exces de aergaze de culoare albă – apă în combustibil sau tuburi sparte

Dacă în timpul funcţionării căldării apar scăpări de apă sau aburi pe la diverse îmbinări nu se va proceda la strângerea piuliţelor şi nu se vor iniţia reparaţii sau înlocuiri de componente atâta timp cât căldarea este în funcţie. Dacă scăpările nu pun în pericol viaţa echipajului şi căldarea nu poate fi oprită pentru reparaţii, scăpările se neglijează până există posibilitatea opririi căldării şi eliminarea cauzelor.

Reglarea arderii în focarul căldării se face în funcţie de indicaţiile manometrelor pentru presiunea de regim care, indiferent de situaţie, trebuie menţinută la o valoare constantă. Presiunea aburului nu trebuie să scadă sub 75% din valoarea presiunii de regim.Anomalii care pot apărea în funcţionarea căldării

În timpul funcţionării căldărilor navale pot apărea fenomene anormale care impun luarea unor măsuri de urgenţă, pentru asigurarea continuării funcţionării sau impun oprirea imediată a acesteia. Funcţie de gravitatea pericolului pe care îl prezintă pentru căldare, fenomenele anormale se împart în:Fenomene anormale care impun oprirea imediată a căldării

În categoria acestor fenomene intră: a) – pierderea apei la sticlele de nivel – atunci când, din diverse motive, apa a dispărut complet din sticlele de nivel se poate produce arderea suprafeţelor metalice ale căldării şi chiar explozia acesteia. Pierderea apei se manifestă prin:

- lipsa apei în sticlele de nivel; - apariţia unor pete roşii sau albe de diverse dimensiuni în structura metalică a căldării - topirea dopului de siguranţă amplasat pe cerul focarului la căldările ignitubulare - miros specific de cauciuc ars - umflarea şi explozia tuburilor Pierderea apei se poate datora următoarelor cauze:

neatenţia fochistuluiînfundarea sticlelor de nivelpierderea apei în afara căldării prin tuburi sparte apa de alimentaţie are o temperatură prea ridicată capul de alimentaţie este blocatpompa de alimentaţie are o aspiraţie şi o refulare defectuoasă, etc.

În asemenea situaţie la bord, se vor lua măsuri ca:oprirea imediată a căldăriiinspectarea amănunţită a suprafeţei de încălzire vizibilă pentru depistarea eventualelor deformaţii punerea căldării la rece dacă în structura metalică a căldării nu au apărut deformaţii se alimentează căldarea cu apă, se aprind focurile şi se ţine sub observaţie strictă comportamentul căldării.

b) - supraîncălziri locale în metalul căldării şi deformarea luiÎn cazul funcţionării anormale în structura metalică a căldărilor acva şi

ignitubulare pot să apară supraîncălziri locale periculoase si cauzele care duc la asemenea situaţii sunt:

lipsa apei în căldare;existenţa unor straturi groase de crustă pe suprafaţa de încălzire;urme de grăsimi pe suprafaţa de încălzire;funcţionarea defectuoasă a unuia sau mai multor pulverizatoare fapt ce face ca flacăra să lovească direct în suprafaţa de încălzire.

Supraîncălzirea locală a metalului se manifestă prin înroşirea tubului de flacără la căldările ignitubulare, a tuburilor fierbătoare situate în imediata apropiere a focarului la căldările acvatubulare şi a porţiunilor metalice din corpul căldărilor.

În asemenea situaţii se impun următoarele măsuri:oprirea focurilor şi verificarea nivelului şi calităţii apei stabilirea cauzelor care au condus la apariţia fenomenului şi înlăturarea lor.

Deformarea metalului supraîncălzit este specifică căldărilor ignitubulare care au suferit supraîncălziri locale nedescoperite la timp. c) – spargerea tuburilor la căldările acvatubulare - este un fenomen suficient de frecvent, în exploatarea căldărilor navale, determinat de: - lipsa de apă şi încălzirea locală a tuburilor; - existenţa unui strat gros de crustă pe pereţii tuburilor; - deranjarea circulaţiei apei în căldare.

Spargerea tuburilor este semnalată prin:prezenţa în mod continuu a aburului în gazele de evacuare din eşapamentul căldării;zgomote specifice scăpărilor de abur (şuierături) în zona tubului ars sau spart;apariţia unor jeturi puternice de abur în focar sau în camera de fum.

Lipsa apei în tuburi este produsă de:

pierderea apei din sticlele de nivel;montajul incorect al sticlelor de nivel (prea jos);lipsa plăcii calmante şi oscilaţiile mari ale navei.

Crusta groasă pe pereţii tuburilor este produsă de duritate ridicată a apei ca urmare a netratării chimice a acesteia.

Deranjarea circulaţiei apei apare atunci când bulele de abur se lipesc de pereţii tubului, în loc să circule prin acestea, înrăutăţesc transferul de căldură în acel loc şi produc arderea tuburilor. Cu cât circulaţia apei este mai intensă cu atât mai bine vor fi răcite tuburile. Uzual, cel mai frecvent, se sparg tuburile situate în zona ultimelor rânduri, din cauza lipsei de apă, produsă de menţinerea unui nivel scăzut în sticlele de nivel.

În cazuri mai rare, se pot sparge şi tuburi situate în zona primelor rânduri, din cauza lipirii bulelor de abur pe suprafaţa lor interioară sau ca urmare a montajului greşit al prelungitorului tubului de alimentaţie. Montarea acestuia nu trebuie să fie făcută în dreptul tuburilor de ascensiune, întrucât presiunea mare a apei de alimentaţie face ca bulele de abur din primele rânduri de tuburi să-şi reducă viteza de deplasare şi chiar să se lipească de pereţii interiori ai acestora. Spargerea tuburilor, indiferent de cauză, impune oprirea imediată a căldării. După o răcire de circa 24 ore, se deschide căldarea, se face determinarea tuburilor avariate şi se procedează la tamponarea lor. Pentru determinarea tuburilor sparte se foloseşte pompa de presat tuburi a cărei presiune este de 8-10 bar şi se procedează după cum urmează:

se goleşte căldarea de apă şi se lasă la răcit; se stabileşte aproximativ zona şi numărul tuburilor sparte;câte un om intră în colectorul superior şi în cel inferior;tubul flexibil de refulare al pompei de presare se introduce în capătul unui tub din placa tubulară a colectorului superior şi se începe presarea apei. Dacă manometrul de pe pompă indică o presiune crescută, tubul testat este bun;dacă presiunea nu creşte rezulta că apa scapă prin spărtura tubului. În ultima situaţie omul din colectorul inferior introduce un dop de lemn în tubul avariat şi îl bate cu ciocanul, fără să-l spargă, până ce aproximativ jumătate din lungimea dopului a pătruns în tub. Aceeaşi operaţie se execută şi la capul tubului din colectorul superior.

Tamponarea tuburilor se poate face şi cu dopuri metalice de formă tronconică cu o conicitate de 1/10.d .Societăţile de clasificare nu permit funcţionarea unei căldări, care are un număr de tuburi tamponate mai mare de 10% din numărul total de tuburi şi cer evidenţa acestora . Pentru aceasta, se execută o schiţă cu dispunerea tuturor tuburilor în plăcile tubulare şi haşurarea tuburilor tamponate. La căldările acvatubulare, înlocuirea tuburilor avariate nu poate fi făcută decât odată cu înlocuirea totală a tuburilor căldării. Operaţiunea se face , uzual, după ce s-a depăşit limita de10% tuburi tamponate. Riscul funcţionării unei căldări cu un număr de tuburi tamponate mai mare decât cel specificat, este deosebit de mare, întrucât se deranjează circulaţia naturală a apei în căldare şi aceasta este supusă fenomenului de ardere şi explozie. d) – spargerea tuburilor supraîncălzitorului Cauzele spargerii tuburilor la supraîncălzitor pot fi

separarea supraîncălzitorului de căldare pe timpul ridicării presiunii;tuburile au depuneri serioase de scală (crustă) care impiedică transferul de căldură, şi se supraîncălzesc până la ardere;tuburile sunt puternic atacate de coroziuni întrucât, pe timpul staţionării, supraîncălzitorul nu a fost în totalitate golit de apă.

Spargerea tuburilor este evidenţiată prin:

scăderea presiunii la manometrul montat pe tubulatura de abur supraîncălzit;existenţa în zona supraîncălzitorului a zgomotului specific de scurgere a aburului prin spaţii înguste.

La apariţia acestui fenomen căldarea se opreşte imediat ,şi se procedează la tamponarea tuburilor . Un supraîncălzitor poate funcţiona cu un număr maxim de 10% tuburi tamponate. Înlocuirea tuburilor la supraîncălzitor trebuie să se facă independent de starea tuburilor la căldare. e) – apariţia fisurilor în corpul căldării

Fenomenul este specific căldărilor ignitubulare şi se manifestă, în special, la locurile de îmbinare a tubului de flacără de peretele frontal al cutiei de foc sau de peretele frontal al căldării.

Fenomenul se produce ca urmare a:variaţiilor mari de regim termic pe timpul funcţionării căldării;în focar se introduce aer prea rece ;în prima fază de ridicare a presiunii, căldarea este încălzită incorect;răcirea bruscă a căldării; supraîncălzirilor locale ale metalului din structura căldării neobservate la timp.

În cazul apariţiei unor asemenea fenomene se iau următoarele măsuri: stoparea imediată a căldării; se lasă căldarea să se răcească uniform ;se verifică amănunţit locul în care au apărut fisurile şi se iau măsuri de înlăturare a acestora .

Înlăturarea fisurilor se face prin sudare după o tehnologie bine stabilită. Înainte de a se iniţia sudarea se vor practica găuri de limitare a fisurii şi se va prelucra fisura, pentru a permite sudarea atât din interior cât şi din exterior. Fenomene anormale care permit funcţionarea dacă se intervine urgent pentru îndepărtarea lor

În categoria acestor fenomene, următoarele sunt considerate ca fiind definitorii: a) – presiunea de regim creşte peste valoarea normală. Fenomenul se observă la manometrele căldării în momentul în care acul indicator depăşeşte semnul roşu de pe cadran semn care indică presiunea normală de funcţionare a căldării. Acest fenomen poate fi produs de: - neatenţia fochistului; - defectarea manometrului.

În asemenea situaţii se impun următoarele măsuri:se reduce consumul de combustibil prin oprirea unor pulverizatoare sau închiderea parţială a valvulelor de alimentare;se înteţeşte alimentarea cu apă a căldării;se probează manual funcţionarea supapelor de siguranţă;se verifică funcţionarea supapelor de siguranţă; se verifică funcţionarea manometrelor prin compararea indicaţiilor cu citirile date de un etalon montat special pentru acest scop.

Pe timpul funcţionării căldării este necesar să se verifice periodic modul de funcţionare a celor două supape de siguranţă montate pe căldare. Aceste supape sunt reglate să declanşeze diferenţiat şi anume, una la o presiune de 0,5 bar peste presiunea de regim, iar alta la o presiune cu 0,7 bar mai mare decât presiunea de regim.

În cazul în care nu se execută verificarea periodică a funcţionării supapelor acestea pot să se blocheze şi în caz de apariţie a suprapresiunii în căldare există riscul să nu funcţioneze, astfel că, rolul de protecţie a căldării nu se realizează.

b) – nivelul de apă la sticlele de nivel scade anormal Pe timpul funcţionării căldării este posibil să apară cazuri de scădere anormală a nivelului de apă la sticlele de nivel. Asemenea situaţie poate să fie provocată de:

neatenţia fochistului;pompa de alimentaţie funcţionează defectuos sau nu realizează presiunea şi debitul necesar de apă cerut de regimul consumului de abur;există un consum prea mare de abur;căldarea are tuburi sparte şi apa se pierde în afara căldării;blocarea capului de alimentaţie pe deschis şi scurgerea apei din căldare.

Măsura care se impune în asemenea situaţie este de a se creşte acceleraţia funcţionării pompei de alimentaţie. Dacă măsura nu este efectivă se opreşte căldarea şi se caută motivele care nu permit menţinerea nivelului de apă. Căldarea nu se repune în funcţie fără depistarea şi eliminarea cauzelor care au provocat asemenea fenomen. c) – nivelul apei în căldare creşte anormal

Un nivel normal al apei în căldare este considerat a fi atunci când, la sticla de nivel, apa ocupă ¾ din înălţimea acesteia. Depăşirea acestui nivel este considerată a fi o creştere anormală a apei în căldare. Această creştere poate fi cauzată de:

neatenţia fochistului;creşterea turaţiei maşinii primare de antrenare a pompei de alimentaţie;apariţia unor fenomene anormale în căldare.

În asemenea condiţii se impun măsuri ca:reducerea alimentaţiei căldării;purjarea repetată a sticlelor de nivel;reducerea focurilor;reducerea consumului de abur, etc.

în caz că măsurile nu sunt suficiente, se stopează căldarea şi se trece la depistarea şi eliminarea cauzelor care au generat fenomenul.

d) – apariţia eboluţiilor Acestea sunt fenomene de fierbere turburentă a apei în colectoarele căldării şi

manifestă prin oscilarea excesivă a nivelului la sticlele de nivel.Fenomenul poate fi provocat de:

conţinutul ridicat de impurităţi mecanice sau chimice în apa din căldare în special grăsimi;deschiderea bruscă a valvulelor de manevră a consumatorilor de abur prin formarea unei diferenţe de presiune între căldare şi consumator şi extragerea unei mari cantităţi de abur din căldare;creşterea salinităţii apei, în special în apropierea oglinzii de vaporizare unde densitatea apei este mai mare, iar trecerea bulelor de abur prin oglinda de vaporizare este mult îngreunată.

Pentru a readuce şi chiar a evita formarea eboluţiilor se va proceda:la fiecare cart se vor executa extracţiile de suprafaţă şi de fund, mai ales atunci când la sticlele de nivel apa urcă şi coboară rapid şi/sau se observă ulei;se reduce turaţia maşinilor, prin închiderea parţială a valvulei de abur pe timpul extracţiilor şi mai ales al eboluţiilor.

Dacă în urma acestor măsuri eboluţiile nu încetează, căldarea se opreşte din funcţiune şi se vor lua măsuri de executare a extracţiilor de suprafaţă şi de fund. La căldările moderne extracţiile se execută la presiune de regim.

Extracţia de fund nu se face simultan la toate colectoarele inferioare, pentru a nu solicita prea mult tubulatura de extracţie şi pentru a nu produce o scădere prea rapidă a nivelului apei în sticla de nivel. Înainte de a se începe extracţia de fund, nivelul apei în căldare se ridică până la ¾ din înălţimea sticlei de nivel, iar pe timpul extracţiei se va urmări, ca să nu dispară apa din sticlele de nivel. e) - spargerea sticlei de nivel Este urmare a faptului că:

sticlele nu au fost încălzite suficient şi uniform pe timpul ridicării presiunii;sticlele nu au fost montate corect în armătura lor fapt ce dă naştere la tensiuni care, pe timpul dilatării, duc la spargerea sticlei.

Pentru încălzirea uniformă a sticlelor, pe timpul ridicării presiunii, acestea vor fi purjate din cinci în cinci minute, timp de 1-2 secunde. Reducerea tensiunilor interne în sticlele de nivel are importanţă deosebită în păstrarea integrităţii acestora. Pentru aceasta, înaintea montării unor sticle noi, acestea vor fi introduse într-un vas în care se găseşte ulei mineral încălzit la o temperatură de 80-90˚C, pentru o perioadă de 2-3 ore. După scoaterea din ulei sticlele se spală atent, cu apă fiartă, pentru îndepărtarea urmelor de ulei, apoi se montează în armăturile lor. Strângerea şuruburilor de la armături se face în cruce, pornindu-se de la centru.

La spargerea sticlelor de nivel se vor lua măsurile următoare:se închid robineţii de izolare a sticlei, faţă de căldare;se înlocuieşte sticla spartă, cu o sticlă nouă, în timp cât mai scurt posibil;supravegherea atentă a nivelului apei la sticla aflată în funcţiune, care va fi purjată cât mai des posibil.Nu se admite funcţionarea căldării cu o singură sticlă de nivel pentru o perioadă de timp mai mare de 20 de minute. În cazul în care, din motive diverse, nu se poate înlocui sticla în timp util, se stopează căldarea şi se iau toate măsurile pentru remedierea avariilor.

Fenomene anormale care permit continuarea funcţionării căldării sub o atentă supraveghere

Asemenea situaţii sunt create la apariţia unor fenomene ca: a) – scăderea anormală a presiunii în căldare

Se consideră ca acest fenomen se manifestă atunci când, presiunea de regim nu poate fi atinsă sau menţinută, deşi condiţiile de ardere sunt respectate şi bine reglate, pentru un anumit regim de funcţionare. Cauzele care pot provoca o astfel de situaţie pot fi:

neatenţia fochistului; căldarea are tuburi sparte;suprafaţa de încălzire este murdară şi nu se realizează un schimb de căldură normal;pentru ardere se foloseşte un combustibil cu putere calorifică inferioară.

Remedierea unei astfel de situaţii, pe moment, se poate face numai prin mărirea consumului de combustibil. Pentru eliminarea completă a situaţiei este necesară oprirea căldării şi curăţirea interioară şi exterioară a suprafeţei de încălzire a acesteia. b) – aburul supraîncălzit are o temperatură scăzută

Fenomenul are loc atunci când suprafaţa de încălzire a supraîncălzitorului este murdară, crustă la interior – funingine la exterior. Restabilirea capacităţii de captare a căldurii se face prin executarea operaţiei de curăţire interioară şi exterioară.c) – arderea incompletă a combustibilului

Este un fenomen care poate fi determinat prin analize chimice şi/sau prin observarea culorii fumului de la coş. Cauzele care produc un asemenea fenomen sunt:

temperatura combustibilului este inadecvată – în general scăzută – pentru realizarea unei pulverizări corecte;combustibilul are un conţinut ridicat de apă şi impurităţi;pulverizatoarele sunt înfundate;în focar nu este livrată o cantitate de aer suficientă pentru formarea unui amestec omogen de combustibil;în focar este introdus prea mult combustibil care, neavând timp să ardă în întregime, părăseşte focarul sub formă de particule fine de culoare neagră odată cu gazele arse.

Pentru a asigura arderea completă a combustibilului se impun măsuri ca:încălzirea combustibilului şi menţinerea lui, la temperaturi cuprinse între 80-90˚C;purjarea tancului de combustibil sau trecerea consumului pe un alt tanc în care există combustibil curat;înlocuirea pulverizatoarelor de combustibil;creşterea debitului de aer, introdus în focar, prin mărirea turaţiei suflantei;reglare consumului de combustibil funcţie de necesarul de abur etc.

d) – supraîncălzirea pereţilor căldăriiFenomenul se observă la înroşirea pereţilor verticali exteriori ai căldării,

produsă de:proiectarea combustibilului aprins, de către o pulverizare încărcată, şi arderea acestuia pe pereţii căldării;deteriorarea zidăriei focarului şi a izolaţiei termice a căldării, etc.

Remedierea neajunsurilor poate fi făcută prin reglarea presiunii de pulverizare a combustibilului, refacerea zidăriei focarului şi a izolaţiei termice.Oprirea căldării

Atât punerea în funcţiune cât şi oprirea căldări se face la dispoziţia şefului mecanic. Pentru oprirea căldărilor se procedează după cum urmează:

se închid valvulele de pe tubulatura de combustibil care duc spre pulverizatoare;se opreşte pompa (presa) de combustibil;se închid valvulele principale şi auxiliare de abur;se alimentează căldarea cu apă până ce nivelul apei la sticlele de nivel ajunge la aproximativ ¾ din înălţimea acestora;se face o extracţie de fund până ce nivelul apei ajunge la ½ din înălţimea sticle de nivel;se lasă căldarea la răcire, lentă şi uniformă, prin închiderea tuturor orificiilor care leagă focarul cu exteriorul.

După o anumită perioadă de timp apa şi aburul se răcesc odată cu suprafaţa de încălzire a căldării. După răcire se ventilează focarul şi se trece la curăţirea acestuia. Odată căldarea oprită, se trece la remedierea defecţiunilor constatate dar care nu au putut fi efectuate în timpul funcţionării.Conservarea căldărilor

Căldarea oprită poate fi menţinută în stare de nefuncţionare pentru o perioadă mai scurtă sau mai lungă de timp. Pentru aceasta este necesar să se iniţieze toate măsurile care să protejeze căldarea contra coroziunii. Este ştiut că, corodarea suprafeţelor metalice este produsă de contactul direct al acestora cu umiditatea şi dioxidul de carbon. În staţionare căldările pot fi păstrate pline cu apă sau goale şi uscate. Uzual, la o staţionare de până la 30 de zile căldarea se păstrează plină cu apă până la robinetul de aerisire. Pentru eliminarea aerului din căldare este necesar să se aprindă focurile şi să se încălzească apa până ce pe robinetul de aer iese abur. După închiderea robinetului se consideră că în căldare a rămas numai apa, fără aer.

În cazul în care staţionarea căldării este mai mare de 30 de zile, aceasta trebuie păstrată goală, fără apă.Uscarea căldării se face prin aprinderea unui foc, pentru o perioadă scurtă de timp, după golirea completă a apei.

Pentru păstrarea deschisă a căldării suprafaţa internă a acesteia se şterge bine cu cârpe uscate după care, în colectoarele căldării se introduc vase cu var nestins care are rolul de a absorbi umiditatea di aerul rămas în căldare. Substanţele absorbante trebuie să ocupe numai jumătate din volumul vaselor, pentru a nu se împrăştia prin căldare odată cu mărirea volumului ca urmare a absorbirii umidităţii.Pentru conservarea suprafeţei exterioare a căldării se impune:

piturarea cu miniu de fier a porţiunilor neizolate termic, din colectoare;ungerea cu păcură sau cu vaselină a exteriorului tubului;ungerea cu un amestec format din ulei şi grafit a săniilor de susţinere a colectoarelor;montarea unor flanşe oarbe, prevăzute cu garnituri de cauciuc, între flanşele de cuplare a armăturilor căldării;piturarea cu miniu de fier a anvelopei căldării.

La căldările care au o staţionare mai lungă de 12 luni, pentru asigurarea conservării căldării este necesară demontarea izolaţiei termice şi piturarea suprafeţelor metalice astfel dezvelite. În toate cazurile de conservare a căldării, temperatura din compartiment nu trebuie să scadă sub 8˚C.

În mod normal, înainte de conservare, căldările sunt supuse unui proces minuţios de curăţare. De altfel, curăţirea căldărilor trebuie să se facă la fiecare 800 ore de funcţionare atât la exterior cât şi la interior. Curăţirea exterioară a căldării se face pentru a îndepărta funinginea şi cenuşa acumulate pe suprafeţele exterioare ale tuburilor. Operaţiunea se execută cu perii de sârmă şi cu raşchete speciale confecţionate din oţel; după care zona se suflă cu aer sa cu abur supraîncălzit.

Curăţirea interioară a căldării se face în scopul îndepărtării depunerilor de pe suprafeţele metalice. Operaţiunea poate fi executată mecanic sau chimic. Curăţirea interioară a tuburilor se face cu ajutorul unor perii cilindrice de sârmă, manevrate cu ajutorul unor tije metalice lanţuri sau axe flexibile antrenate de un motor electric. Uzual, curăţirea mecanică se face după curăţirea chimică.

Curs 6Maşini alternative cu abur navale

Principiul de lucru al maşinilor alternative cu aburMaşinile alternative (cu piston) cu abur transformă energia termică a aburului

în energie cinetică, folosită la realizarea lucrului mecanic disponibil la extremitatea arborelui cotit.

Maşinile alternative cu abur navale în exploatare trebuie să prezinte: o siguranţă excepţională, o manevrabilitate perfectă greutate şi gabarit reduse consum specific de abur scăzut şi lucrări de reparaţii şi întreţinere de volum cât mai mic şi la intervale cât mai mari.

Transformarea energiei termice a aburului ( produs de cazan) în energie cinetică are loc în cilindrul maşinii 1(fig.1) prin deplasarea pistonului 2, datorită diferenţelor de presiune pe feţele acestuia.

Deplasarea pistonului se transmite, prin tija acestuia 3, capului de cruce şi bielei care produce rotirea arborelui cotit. Distribuţia aburului pe feţele pistonului se realizează prin sistemul de distribuţie. Aburul proaspăt, care vine de la cazan prin canalul 4, umple spaţiul situat deasupra pistonului, în timp ce spaţiul situat dedesubtul pistonului este pus în comunicare cu canalul de evacuare 5. Datorită diferenţei de presiune care

se creează, pe faţa superioară a pistonului acţionând presiunea ridicată a aburului

proaspăt, iar pe faţa interioară presiunea scăzută a mediului înconjurător (presiunea atmosferică sau a condensului), pistonul este împins în jos. Dacă alimentarea maşinii cu abur proaspăt a avut loc pe toată durata cursei pistonului din punctul mort interior (PMI) până în punctul mort exterior (PME) se spune că maşina lucrează cu plină admisie. În momentul în care pistonul a atins PME, sistemul de distribuţie închide legătura canalului 4 cu aburul proaspăt şi deschide legătura lui cu condensatorul de evacuare. În acelaşi timp canalul 5 este pus în legătură, cu conducta de abur proaspăt. În felul acesta se creează o nouă diferenţă de presiune, care acţionează asupra pistonului de jos în sus, ridicându-l. Dacă admisiunea aburului durează până ce pistonul atinge PMI, se asigură şi pentru cursa ascendentă principiul funcţionării cu plină admisie. S-a demonstrat că poate fi realizată o reducere simţitoare a consumului specific de abur, respectiv o economie de combustibil, dacă se întrerupe atât admisiunea

aburului, cât şi evacuarea sa, înainte ca pistonul să fi ajuns la sfârşit de cursă. Aburul proaspăt din cilindru continuă să exercite presiune asupra feţei pistonului şi să-l deplaseze până la sfârşitul cursei. Cantitatea de abur rămânând insă constantă, presiunea scade (aburul se destinde); maşina se numeşte cu expansiune. De asemenea, tot pentru a reduce consumul specific, aburul este admis şi evacuat din cilindru înainte ca pistonul să fi atins punctul mort corespunzător. În felul acesta maşina lucrează cu avans la admisie şi evacuare. Procesul de lucru care se desfăşoară în spaţiile de deasupra şi de dedesubtul pistonului unei maşini alternative cu abur este format din patru faze: admisiunea (umplerea), destinderea (expansiunea), evacuarea şi compresiunea. În diagrama p – V (fig.3.2) acest proces este reprezentat printr-o pereche de diagrame: I arată evoluţia aburului in spaţiul de deasupra, iar II - in cel de dedesubtul pistonului. Aceste diagrame se numesc diagrame indicate şi se obţin cu un aparat special, numit indicator.Momentele caracteristice ale procesului de lucru sunt: 1- admisiunea anticipată a aburului in cilindri:; 2- închiderea admisiunii;3 - începerea evacuării anticipate a aburului din cilindru ; 4- închiderea anticipată a evacuării aburului. Porţiunea din diagramă cuprinsă între punctele 1 şi 2 reprezintă admisiunea, 2-3 destinderea, 3-4 evacuarea, iar 4-1 compresiunea.

Mărimile t` şi t`` reprezintă volumele spaţiilor moarte, adică volumele care rămân între piston şi cilindru în PMI şi, respectiv în PME. Volumul generat de deplasarea pistonului din PMI în PME şi invers este volumul util şi se notează Vu. Volumul total al cilindrului se notează Vt.

TIPURI DE MAŞINI ALTERNATIVE CU ABUR NAVALE

Maşinile cu abur folosite la propulsia navelor sunt reversibile. Maşinile alternative cu abur instalate pe nave se pot clasifica după cum urmează.

În funcţie de caracteristicile constructive se clasifică:- după direcţia de deplasare a pistonului in maşinile verticale, orizontale şi oblice;

- după numărul cilindrilor, în maşinile monocilindrice şi policilindrice ; - după felul dispozitivului utilizat pentru distribuirea aburului la cilindri, în: maşini cu sertar fig.3, maşini cu supape (fig.4) şi maşini cu distribuţie cu ferestre în

echicurent (fig5); la acestea admisiunea aburului se face cu sertar sau supape iar evacuarea se face prin orificii, plasate la centrul cilindrului, deschise de piston; - după sensul de rotaţie, în: maşini cu sens de rotaţie la dreapta (arborele cotit privit dinspre pupa spre prova se roteşte în sensul mişcării acelor unui ceasornic) şi maşini cu sens de rotaţie la stânga (arborele se roteşte în sensul invers acelor ceasor-nicului).

În funcţie de caracteristicile cinematice, şi anume după valoarea vitezei medii de

deplasare a pistonului se clasifică în : maşini lente ( <3 m/s) şi maşini rapide (>3m/s).

- după valoarea presiunii a aburului proaspăt furnizat de cazan, în: maşini normale

( < ) maşini de presiune ridicată [ ]

şi maşini de presiune inaltă( > ) - după starea aburului proaspăt furnizat de cazan,în: maşini care lucrează cu abur saturat şi maşini care lucrează cu abur supraîncălzit;

- după modul de evacuare a aburului, în: maşini cu contrapresiune, la care evacuarea aburului din cilindri are loc in atmosfera [

] şi maşini cu condensaţie, la care aburul

este eliminat într-un condensator [ ];- după modul de desfăşurare a procesului de lucru, in: maşini cu plină

admisiune şi maşini cu expansiune; la maşinile cu expansiune, aceeaşi cantitate de abur proaspăt este lăsată să se destindă în unul, doi sau mai mulţi cilindri ( primul cilindru se numeşte de înaltă presiune, ultimul, care este legat de condesator de joasă presiune, iar cei intermediari – de medie presiune).

La maşinile policilindrice cu simplă expansiune, dispunerea cilindrilor poate fi în tandem fig. 6 sau compound fig.7.

În funcţie de destinaţie maşinile alternative se împart în: maşini principale, utilizate la acţionarea instalaţiei de propulsie, şi maşini auxiliare , necesare acţionări generatoarelor, pompelor , ventilatoarelor şi celorlalte aparate auxiliare de la bordul navei.

Organe principale ale maşinilor alternative cu abur

Cilindrul. Cilindrul se execută din fontă specială(aliată cu nichel, molibden, vanadiu) prin turnare, dintr-o singură piesă cu cutia de distribuţie. În funcţie de mărimea maşinii, cilindrii au unul sau doi pereţi. Cilindrul cu pereţi dubli (fig.8) este format din cilindrul exterior 1, cilindrul exterior( cămaşa) 2, şuruburi de fixare 3, elemente de etanşare şi spaţiul de lucru 5. Spaţiul de încălzire 6, umplut în permanenţă cu abur , are rolul de a evita condensarea aburului în spaţiul de lucru. Cămaşa având o construcţie simplă , poate fi schimbată cu uşurinţă în cazul depăşirii toleranţelor de uzură . Cămaşa se execută cu extremitatea superioară liberă, pentru a permite dilatări

longitudinale. Etanşarea se realizează prin introducerea în canalele circulare de pe faţa exterioară a cămăşii a unor inele din şnur de azbest. În partea inferioară, cămaşa are un guler inelar cu găuri, pentru a se fixa cilindrul exterior. Lungimea cămăşii se alege astfel încât segmenţii marginali ai pistonului să depăşească extremităţile suprafeţei de lucru cu 0,3mm la partea de sus şi cu 0,1mm la partea de jos, pentru a se evita formarea pragurilor de uzură. Grosimea a peretelui cămăşii se poate determina cu relaţia constructivă:

În care: D’ este diametrul interior al cămăşii;

- presiunea de admisiune a aburului.Grupul piston. Grupul piston este format din următoarele piese: pistonul cu segmenţii, tija, capul de cruce şi glisiera.Pistonul (fig.9) În general, este de forma unui disc. Butucul discului se fixează în tijă şi contratijă. Pistoanele mari se execută din oţel prin turnare, iar cele mici – prin forjare. Uneori pistoanele se execută din două bucăţi: capul şi coroana (fig.10).

Pentru realizarea etanşeităţii, în coroană se montează 2 - 4 segmenţi. Segmenţii se execută din fontă perlitică. Construcţia cea mai simplă a segmenţilor este reprezentată în fig.10. Aceştia sunt de secţiune dreptunghiulară şi prevăzuţi cu tăietură oblică. Se utilizează cilindrii de înaltă presiune şi de medie presiune.

Pentru cilindrii de joasă presiune se utilizează segmenţi de tipul celor din fig.11, unde cele două inele 1 şi 2 sunt presate spre exterior , prin intermediul arcului elicoidal 3.

Capul de cruce are rolul de a asigura o legătură rigidă cu tija pistonului şi, în acelaşi timp, o legătură mobilă cu capul bielei (fig.12). El prezintă o suprafaţă suficientă pentru ca forţa specifică de frecare să nu atingă valori prea mari.

Glisiera (Fig.12) este formată din două rigle prismatice perfect paralele şi rigid fixate de cilindru. Pentru buna funcţionare a sistemului cap de cruce – glisieră este necesară asigurarea unei ungeri perfecte. Suprafaţa de ghidaj a glisierei se acoperă cu material antifricţiune; se prevăd pe ea şi canale de ungere. Glisiera se montează astfel ca la marş înainte, presiunea capului de cruce să fie preluată de suprafaţa ei, iar la marş înapoi – de şinele de alunecare.

Biela (fig13). Se execută prin forjare din oţel aliat cu crom, nichel şi molibden. Este organul cel mai solicitat al maşinii. Deformaţiile bielei dau uzuri neuniforme în lagăre.

Arborele cotit. Se construieşte din oţel aliat. Poate fi dintr-o bucată sau mai multe bucăţi legate de flanşe (fig14). Montajul coturilor se face la cald.

Placa de fundaţie Se execută din fontă perlitică prin turnare. În cazul maşinilor mari se face din bucăţi asamblate prin buloane. Prinderea ei de postamentul navei se face cu buloane şi laine metalice (fig.15). În placa de fundaţie se găsesc lagăre de pat din oţel, fontă sau bronz. Cuzineţii sunt executaţi din aliaje pe bază de staniu.

Sertarele de distribuţie. După formă, se construiesc sertare plane, cilindrice sau de construcţie specială, cu canal sau tricochilic.

La sertarul plan (fig. 16) corpul cilindric prezintă pe una din părţile laterale o placă, denumită oglindă prevăzută cu trei orificii, pe care alunecă sertarul, de forma unei cochilii; sertarul execută o mişcare de du – te – vino şi acoperă cu tălpile sale cele trei orificii.Sertarul cilindric (fig.17) înlocuieşte sertarul plan, se gripează uşor şi devine neetanş

la utilizarea aburului cu presiune mai mare de şi temperatură mai mare de 615 K.În scopul evitării laminării aburului la deschiderea şi închiderea orificiilor de distribuţie a aburului ca urmare a vitezei reduse de deplasare a sertarului în vecinătatea PMI şi PME, s – au realizat sertare de construcţie speciale, din care cele mai utilizate sunt cele cu canale de ocolire şi cele tricochilice.

Supape de distribuţie . Unele maşini au în locul sertarelor de distribuţie supape acţionate cu came.

Diverse armături. Valva principală de manevră. denumită şi valva registru, se montează între cazan şi cilindru de înaltă presiune. Pentru a se uşura deschiderea valvei, elementul de închidere este prevăzut cu pistonul compresor 1. Pentru întreruperea rapidă a alimentării cu abur, în capul valvei se obişnuieşte a se intercala clapeta 2, de regulatorul Aspinal. Prezenţa acestui organ este absolut necesară, deoarece, la navigaţie pe mare montată, tangajul fiind pronunţat, elicea iese din apă cuplu rezistent scade şi maşina îşi măreşte turaţia.

Valva auxiliară de manevră serveşte la pornirea uşoară a maşinii din orice poziţie a arborelui cotit se intercalează între cazan şi cilindrii de medie şi joasă presiune.

Robinetele de purjare servesc la evacuarea apei de condensare din interiorul cilindrului.

Supapele de siguranţă asamblate la partea superioară şi inferioară a cilindrilor, au drept scop evitarea avariilor produse de apa condensată.

Turbine cu abur

CLASIFICAREA TURBINELOR CU ABUR

Turbina cu abur este o maşină termică rotativă in care energia potenţială a aburului produs în instalaţia de căldări este transformată, mai întâi în energie cinetică şi apoi în lucru mecanic de rotaţie, transmis cu ajutorul liniei axiale la propulsorul navei, sau prin acţionarea directă a unui mecanism auxiliar. Elementele componente ale unei turbine elementare cu abur sunt prezentate în figura 1. Ansamblul format dintr-o coroana de ajutaje şi un rotor se numeşte etaj sau treaptă de presiune. Din acest punct de vedere, turbinele pot fi monoetajate sau polietajate. În primul etaj al unei turbine se întâlneşte noţiunea de ajutaj, pentru ca in etajele superioare ajutajul să fie similar cu distribuitorul.

Principiul de funcţionare a unei turbine elementare este următorul:aburul care intra in colectorul de admisie, venind prin tubulatura de la căldare trece prin ajutaje, prin spaţiile dintre palete (canale rotorice) rotind turbina după care este evacuat prin colectorul de evacuare.Din punct de vedere ai modalităţii de destindere a aburului în paletele rotorului turbinele pot fi cu acţiune şi cu reacţiune.

O clasificare mai amănunţită a turbinelor se poate face după următoarele criterii :a. după destinaţie (turbine principale, turbine auxiliare);

b. după natura procesului de destindere a aburului în palete (turbine cu acţiune, cu reacţiune, combinate);

c. după modul de utilizare a energie aburului (turbine cu o treaptă sau monoetajate, turbine cu trepte sau etaje de viteza, turbine cu etaje de presiune, turbine cu etaje de presiune şi viteza);

d. după direcţia de curgere a aburului (turbine axiale sau elicoidale, turbine radiale centrifuge şi centripete);

e. după modul de admisie a aburului (turbine cu admisie totală, turbine cu admisie parţială);

f. după modul de evacuare a aburului (turbine cu condensaţie, turbine cu contrapresiune, turbine cu prize intermediare cu abur);

g. după valoarea presiunii iniţiale a aburului (turbine supracritice, turbine cu înaltă presiune, turbine de medie presiune, turbine de joasă presiune).

PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARETURBINA CU ACŢIUNE

La aceste turbine energia potenţiala a aburului se transformă integral în energie cinetică in ajutajele turbinei, iar in spaţiul dintre palete, energia cinetică se transforma în energie mecanică cedată mai departe arborelui turbinei sub forma de lucru mecanic de rotaţie. Paletele mobile de pe rotorul turbinei cu acţiune sunt simetrice ca formă ceea ce face ca spaţiul dintre palete să prezinte o secţiune constantă. Cea mai simplă turbină cu acţiune, turbina LAVAL, are o singură treaptă de presiune (fig.2). Aburul intră în ajutaj la presiunea după care se destinde la presiunea , pătrunzând in spaţiul dintre palete. În acelaşi timp viteza absolută a aburului creşte de la valoarea în ajutaj la valoarea la intrarea între paletele mobile. În canalul rotoric, aburul îşi schimbă direcţia de curgere urmărind forma paletelor şi exercitând asupra lor un cuplu de rotaţie. La ieşirea dintre palete presiunea aburului are aceeaşi valoare cu cea de a intrare în ajutaj, dar viteza scade pană la o valoare . Ceea ce este de remarcat la turbina cu acţiune este lipsa forţelor axiale.Turbina cu reacţiune La această turbină (fig.3) destinderea aburului se realizează atât in ajutaje, cat şi între paletele mobile. De această dată spaţiul dintre palete are o secţiune variabilă datorită formei asimetrice a paletelor. Energia potenţiala a aburului se transformă parţial în energie cinetică în ajutajele turbine şi între paletele mobile, iar apoi se transformă în energie mecanică la arborele turbinei. În fig. 12.3. se prezintă principiul de funcţionare pentru o turbina cu reacţiune formată dintr-un singur etaj: aburul intra în ajutaj la presiunea , unde se destinde până la presiunea , când pătrunde între paletele mobile, continuându-şi destinderea până la ieşirea din turbină la o valoare mai mică a presiunii . Variaţia vitezei absolute este aceeaşi ca şi pentru turbina cu acţiune. Ceea ce este de remarcat la această turbină este apariţia unei forţe axiale în direcţia de curgere a aburului. Ca urmare a existentei acestei forţe turbina este prevăzută cu lagăre axiale, iar în cazul

turbinelor navale de propulsie această forţă axială este preluată în parte de către elice. Deoarece forma ajutajelor şi a paletelor mobile este asemănătoare, la acest tip de turbine ajutajele treptelor următoare se mai numesc şi palete fixe. Constructiv, se fixează în carcasa turbine palete cu direcţia modificată faţa de paletele mobile de pe rotor, dar de construcţie identică. În domeniul naval turbinele cu reacţiune se folosesc pentru acţionarea turbosuflantelor la supraalimentarea motoarelor cu ardere internă sau la propulsia navelor.

TURBINE POLIETAJATE

Ca urmare a faptului că turbinele cu acţiune şi cele cu reacţiune au anumite limite funcţionale, apar solicitări mecanice mari datorită vitezei perife-rice mari, ceea ce implică randament scăzut. Pentru a micşora viteza periferică este necesară micşorarea vitezei de intrare a aburului în canalele rotorice. În cazul turbinelor cu acţiune acest lucru se realizează prin fracţionarea vitezei absolute a aburului în mai multe viteze pe diferite etaje ale turbinei, precum şi prin fracţionarea presiunii de intrare a aburului pe mai multe trepte de presiune. În practică se folosesc atât soluţii unice (variind numai una dintre mărimi) cât şi soluţii combinate.

În cazul turbinelor cu reacţiune, reducerea vitezei periferice se realizează prin fracţionarea presiunii iniţiale a aburului în mai multe trepte de presiune. În practica navală cele mai utilizate sunt turbinele polietajate (fig. 12.4) care se clasifica în: turbine cu acţiune cu trepte de viteză, turbine cu acţiune cu trepte de presiune, turbine cu acţiune cu trepte de viteza şi de presiune; turbine polietajale cu reacţiune.

Comparaţie între maşinile alternative cu abur şi turbine Pentru a compara cele două tipuri de. maşini energetice care folosesc drept fluid motor-aburul, se consideră avantajele şi dezavantajele turbinei faţă de maşina alternativă.

Turbinele cu abur prezintă următoarele avantaje faţă de. maşinile alternative cu abur:

debitul de abur care lucrează în turbină este constant, ceea ce asigură o încărcare termică şi mecanică constantă a organelor turbinei;lipsind mecanismul bielă manivelă şi frecarea între organele mobile fiind mult mai redusă, se constată o uzură redusă a maşinii, o exploatare comodă, o funcţionare liniştită; vibraţiile transmise corpului navei sunt mult mai reduse;turbinele se exploatează şi se întreţin mult mai simplu decât maşinile alternative;datorită vitezei mari de circulaţie a aburului, se realizează agregate cu puteri mari ( s – au construit agregate ajungând la 55 000kW); acest avantaj este foarte important pe navele mari de pasageri transatlantice rapide, pentru care turbina este maşină de propulsie de bază;greutatea raportată la puterea obişnuită la instalaţiile cu turbină cu abur pentru puterii medii şi mai ales pentru puteri mari este mult mai redusă decât în cazul maşinilor alternative; pentru puteri mici, este mai mare din cauza greutăţii mari a transmisiei;randamentul instalaţiei cu turbine cu abur se situează între cel al maşinii cu abur şi cel al motorului cu ardere internă, şi anume:

a) - pentru maşini alternative cu abur, ή =13…17%;b) – pentru turbine cu abur, ή =25…32%;c) – pentru motoarele cu ardere internă,ή =35…42%.

preţul de cost al construcţiei instalaţiei de forţă cu turbine cu abur, al exploatării şi întreţinerii este mult mai redus decât al instalaţiilor cu maşini alternative cu abur; în prezent, turbina cu abur este singura maşină care poate fi folosită economic în cazul instalaţiilor nucleare;turbinele prezintă o mare siguranţă în funcţionare şi necesită mult mai puţine reparaţii decât maşinile cu abur;turbina cu abur îmbunătăţeşte stabilitatea transversală a navei, coborând centrul de greutate al acesteia mai mult decât maşinile cu abur cu piston, care, ce obicei, sunt dispuse vertical.

Turbinele cu abur prezintă următoarele dezavantaje:la regimuri parţiale se micşorează substanţial randamentul;datorită vitezei mari de rotaţie a turbinei este necesară o transmisie cu roţi dinţate sau electrică;reversibilitatea care necesită existenţa unor turbine speciale de marş înapoi, deoarece turbinele cu abur nu sunt reversibile; la navele de transport, turbina de marş înapoi are circa 40% din puterea turbinei de marş înainte; această turbină măreşte dimensiunile de gabarit ale turboagregatului şi consumă lucru mecanic la marş înainte; turbina de marş înapoi poate lipsi în cazul propulsiei turboelectrice sau la utilizarea elicelor cu pas reglabil.

Organele principale ale turbinelor cu abur

Carcasa. Aceasta asigură spaţiile etanşe în care se desfăşoară procesele de lucru ale aburului. Are o formă cilindrică sau conică, corespunzătoare formei rotorului. Pentru a asigura montarea şi demontarea turbinei, carcasa are un plan de separaţie orizontal, care o desparte în două părţi: corpul şi capacul. Cele două jumătăţi au bride orizontale masive, care se îmbină prin şuruburi rezistente aşezate cât mai aproape de pereţii

carcasei, pentru a micşora efectul de încovoiere în bride. Suprafeţele de contact ale bridelor se ajustează cu multă atenţie, iar între ele se aşează garnituri. Pentru asigurarea unei cât mai bune etanşeităţi, suprafeţele bridelor se ung cu un mastic special, recomandat de întreprinderea constructoare. Strângerea şuruburilor se face cu ajutorul cheilor dinamometrice. Pentru asigurarea unei aşezări corecte a capacului faţă de corp, bridele au 2-8 prezoane de poziţie. Pentru scoaterea capacului, pe brida superioară există 4-8 şuruburi de desfacere.

Corpul se toarnă o dată cu paturile, în care se montează lagărele radiale şi de împingere. De asemenea, pentru fixarea turbinei pe postament, corpul este prevăzut cu tălpi. Ţinând seama de dilatarea termică a corpului, patul din prova se sprijină pe tălpi mobile, iar cel din pupa pe tălpi fixe (fig. 5). Tălpile mobile au suprafeţele de alunecare prelucrate cu mare precizie; aceste suprafeţe sunt unse periodic cu unsoare grafitată. De asemenea, au montat un indicator pentru controlul dilatării corpului la preîncălzire.

Materialele folosite pentru executarea carcaselor de turbine sunt:pentru abur sub 513 K – fontă; la temperaturi mai mari se produc transformări structurale care duc la scăderea rezistenţei mecanice;pentru abur sub 693K – oţel carbon;pentru abur la temperaturi mai mari de 693 K – oţeluri aliate cu crom, nichel, molibden sau vanadiu.

La construcţiile moderne, carcasele turbinelor se execută din oţel turnat sau sudat, ceea ce permite reducerea greutăţii corpului şi a preţului execuţiei.

Diafragmele şi ajutajele intermediare. Diafragmele au rolul de a separa treptele de presiune între ele şi de a susţine ajutajele treptei următoare de presiune. O diafragmă (fig.6) este formată dintr-un disc 3, care constitue suportul ajutajelor 2, o obadă 1, care acoperă ajutajele la periferie şi piese de etanşare, care se montează pe porţiunea ce se asamblează cu arborele.Unele diafragme se execută uşor bombate spre partea de înaltă presiune pentru a avea o rezistenţă mecanică mai mare. În cazul admisiei parţiale de abur, ajutajele sunt dispuse numai pe o parte din circumferinţă. În cazul turbinelor cu puteri mari, diafragmele sunt formate din două jumătăţi de disc, separate în plan orizontal. Pentru montarea diafragmelor în carcasa turbinei se execută caneluri în care intră obadale.

Diafragmele se pot executa complet prin turnare, prin forjare cu ajutajele frezate sau prin sudare.

Diafragmele turnate se execută din fontă, cu ajutaje din oţeluri aliate, care prin turnare sun înglobate în corpul diafragmei. Pentru abur la temperaturi mai mari de 473

– 513 K se folosesc diafragme forjate din oţel – carbon. După turnare, forjare sau sudare diafragmele se supun unui tratament termic de detensionare, iar apoi se execută prelucrarea mecanică.

Paletele mobile şi paletele directoare. Paletele sunt cele mai importante şi în acelaşi timp cele mai solicitate piese ale turbinelor, piese de care depinde în primul rând randamentul turbinei. În funcţie de destinaţie, paletele pot fi mobile, montate pe rotor, şi fixe (directoare), montate în carcasă.

Paleta (fig.7) este formată din trei părţi : coada 1, care serveşte pentru fixarea în rotor sau în carcasă, partea activă 2, care formează canalul de abur, şi vârful 3.

Secţiunea transversală a paletei în partea sa activă se numeşte profilul paletei. Marginile profilului, funcţie de direcţia de deplasare a aburului, se numesc muchia de intrare, respectiv de ieşire. Paletele cu acţiune (fig.8 a) au profilul aproape simetric (

). Profilul paletelor cu reacţiune (fig.8 b) are unghiul de intrare mult

mai mare decât unghiul de ieşire pentru a forma un canal convergent.

Paletele cu acţiune au o grosime apreciabilă, pe când cele cu reacţiune sunt relativ subţiri. Înălţimea paletelor variază între 10mm la primele trepte şi 400mm la ultimele trepte. Lăţimea paletelor este de 14 – 60 mm. Numărul de palete pe o roată poate ajunge la 700 buc.Paletele se execută prin laminare, iar la vârf şi la coadă se frezează. La viteze periferice mari se frezează şi spatele paletelor. Modern, paletele se execută prin presare în matriţă sau prin turnare de precizie cu modele fuzibile. Pentru micşorarea vibraţiilor, vârfurile paletelor se prind cu bandaj metalic.

Materialul din care se execută paletele trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: rezistenţă mecanică la temperaturi înalte; rezistenţă la coroziune şi eroziune (condensarea aburului); să fie uşor de prelucrat; să aibă preţ de cost redus.

Pentru paletele care lucrează la temperaturi mari 723 K se utilizează oţeluri crom – nichel ( Ni 14%, Cr 4 – 12%). Pentru temperaturi mai mari se utilizează oţeluri autentice cu 12 – 14% Ni şi 14 – 16% Cr.Rotorul. Un rotor de turbină cu abur are următoarele părţi componente: arborele, discurile sau tamburul cu palete mobile, Flanşa de îmbinare şi inelele de împingere.

Din punct de vedere constructiv, rotorul poate fi cu discuri(fig. 9.a), cu tambur(fig.9.c), sau de tip combinat (fig.9.b).Rotoarele se pot executa în următoarele moduri:

forjare dintr-o bucată – când întregul rotor, exceptând unele repere mărunte, constă dintr-o singură piesă forjată;

compuse – când rotorul este format din mai multe piese forjate, de dimensiuni mari, sudate între ele; sudate – când rotorul este sudat din piese separate.

Turbinele navale ( în special cele principale) sunt de tip rigid, adică cu turaţia de regim sub turaţia critică de rezonanţă.

Rotoarele cu discuri se execută din discuri separate, montate pe arbore. Discurile sunt piese de bază ale rotorului pentru transmiterea energiei mecanice de la paletele mobile la arbore. Un disc are următoarele părţi (fig.10): obada 1, pe care se fixează paletele 4, butucul 3, cu ajutorul căruia discul se fixează pe arbore; pânza discului 2, adică partea dintre disc şi obadă. Fixarea discurilor pe arbore se face prin frezare, asigurată cu una sau două pene.

Arborele rotoric (fig.11) este una din părţile cele mai importante ale turbinei; el funcţionează la temperaturi ridicate şi turaţii mari. La unul din capetele arborelui există inele care preiau împingerea axială şi o transmit lagărului de împingere. La celălalt capăt există inelele care preiau împingerea axială şi o transmit lagărului de împingere. La celălalt capăt există o porţiune tronconică pe care se fixează flanşa arborelui reductorului. Pe arbore se fixează şi limitatorul de turaţie maximă, iar pentru turbinele de putere mică şi regulatorul de turaţie. Tot pe arbore se montează şi transmisia tahometrului.

Rotoarele combinate sunt folosite la turbinele navale de puteri mari. Partea de înaltă presiune se execută din discuri montate pe arbore, iar partea de joasă presiune se execută cu tambur.

Rotoarele se execută din oţeluri aliate cu crom, molibden, nichel şi vanadiu. La execuţie se acordă o mare atenţie echilibrării statice şi dinamice.

Etanşarea turbinelor. Etanşarea interioară a diafragmelor se face pentru a împiedica trecerea aburului nedestins dintr-o cameră de presiune în alta. Etanşarea exterioară a lor se face pentru a împiedica ieşirea aburului la partea de înaltă presiune şi intrarea aburului la partea de joasă presiune.

Pentru etanşarea exterioară se folosesc labirinţi metalici (cei mai indicaţi), labirinţi cu inele cu cărbune, etanşare hidraulică cu o pernă de lichid. Etanşarea interioară se face numai cu labirinţi.

Etanşarea cu labirinţi foloseşte reducerea presiunii aburului prin laminare, în mai multe camere, formate fiecare dintr-o reducere şi o mărire bruscă a secţiunii de trecere.

Există mai multe construcţii de labirinţi: radiali (fig12,a), axiali (fi.12,b) şi combinaţi sau radiali-axiali(fig.12,c). Cei mai folosiţi sunt labirinţi radiali.

Labirinţii radiali se pot fixa rigid sau elastic. În fig.13,a este reprezentat un labirint rigid. Cuţitele labirintului sunt executate din alamă moale şi sunt fixate direct în corpul diafragmei. Fixarea se face cu ajutorul unor sârme cu secţiune ovală, introduse forţat între pereţi cuţitului. Datorită valorii mici a jocurilor radiale (0,2 – 0,4 mm), arborele turbinei poate atinge cuţitele labirinţilor. În locul de atingere, în urma frecării, arborele se dilată, ceea ce accentuează fenomenul. Din această cauză apar vibraţii puternice în turbină care pot provoca avarierea ei.

Evitarea acestor fenomene se obţine folosind labirinţi elastici fig.13,b. Aceştia sunt formaţi din segmente de inele pe care sunt fixate cuţitele labirinţilor. Bucăţile de inel se aşează în locaşele lor din diafragme; ele se presează pe arbore cu ajutorul unor arcuri lamelare.

În labirinţii care se folosesc la partea de joasă presiune pentru a împiedica pătrunderea aerului, se trimite abur cu presiune înaltă de la alimentarea părţii de înaltă presiune.

Pentru turbinele auxiliare se folosesc sisteme de etanşare cu inele de cărbune. Acest mod de etanşare se realizează cu ajutorul a 3-8 inele, executate din cărbune presat, bogat în grafit.Pentru a putea fi montat mai uşor fiecare inel constă din 3-6 segmente strânse cu ajutorul unui arc. Inele se aşează în suporturi metalice care se montează în cutiile de etanşare. Jocul radial al inelelor de cărbune faţă de arbore este redus.

La temperatura de regim jocul se reduce la zero. Datorită proprietăţilor lubrifiante ale grafitului, contactul dintre inele şi arbore nu este dăunător. Inelele de cărbune nu se pot folosi la viteze periferice mari, din cauza uzuri mari. Din acelaşi motiv nu se pot folosi la temperaturi mai mari de 573 K. Se pot face etanşări mixte folosind şi inele metalice şi inele de cărbune. Lagăre de sprijin. Rotorul turbinei se sprijină cu fusurile sale în două lagăre de sprijin care preiau greutatea rotorului, eforturile care apar în cazul admisiei parţiale a aburului şi eforturile date de transmisie; de asemenea lagărele au rolul de a fixa poziţia radială a rotorului faţă de corpul turbinei.

Lagărele de sprijin ale turbinei funcţionează la viteze periferice mari ale arborelui (60-80 m/s) şi cu încărcături specifice mari. Aceste lagăre trebuie să prezinte siguranţă mare în funcţionare, pierderi de putere prin frecare mici şi uzură redusă.

Pentru buna funcţionare a lagărului se asigură o circulaţie permanentă de ulei, care serveşte atât pentru ungere cât şi pentru evacuarea călduri degajate prin frecare fusurilor în lagăr.

Lagărele de sprijin fig.14 constau din următoarele părţi: corpul lagărului 4, capacul lagărului 1, cuzinetul 2, materialul antifricţiune 3, şuruburile de îmbinare şi instalaţia de ungere a lagărului. Cuzineţii se execută din bronz sau oţel carbon, iar

suprafaţa interioară se acoperă cu aliaje antifricţiune, de exemplu - 83. pentru asigurarea unui contact cât mai bun între fus şi cuzinet pe întreaga lungime a lagărului, prelucrarea pentru finisare a suprafeţei cuzinetului se execută la strung cu cuţit cu vârf de diamant. Între cuzinet şi fus se lasă un joc pentru ungere, a cărei mărime este: .

După modul de amplasare a cuzineţilor în corpul lagărelor, acestea pot fi: rigide sau cu autocentrare.

Lagărele rigide au cuzineţii cilindrici la partea exterioară, montându-se în locaşurile cilindrice ale corpului şi capacului. La încovoierea arborelui în lagăre iau naştere presiuni mari care duc la uzuri rapide.

Lagărele de autocetrare au o suprafaţă sferică de sprijin aşezată într-un locaş sferic. Pentru încovoieri mici al arborelui, cuzineţii urmează linia elastică a arborelui. În acest mod se măreşte siguranţa în funcţionarea turbinei.

Lagăre axiale şi de împingere. Turboagregatul natural are lai multe lagăre axiale de fixare şi un lagăr de împingere. Lagărele axiale de fixare se prevăd în fiecare corp de turbină (turbina de înaltă presiune, turbina de medie presiune şi turbina de joasă presiune) şi servesc pentru aşezarea axială precisă a rotorului faţă de corpul turbinei, precum şi pentru preluarea eforturilor axiale ce apar în timpul funcţionării turbinei. Lagărul de împingere se montează pe linia de arbori , de obicei după reductor, el preluând împingerea axială a elicei.

Lagărul de împingere (fig.15) are un singur inel de împingere 1, forjat dintr-o bucată cu arborele sau fixat pe acesta. Pe inel sunt aşezate 6-12 perne de împingere 2, care se sprijină printr-o articulaţie de corpuri lagărului 3. La rotirea arborelui uleiul este antrenat în spaţiile dintre inel şi perne formând un film de ulei. Înclinarea pernelor se produce automat datorită antrenării uleiului. Pernele de împingere se

execută din bronz fosforos şi se acoperă cu un strat de 1,5 – 2mm de aliaj - 83. Prelucrarea pernelor trebuie să se execute cu mare atenţie astfel încât grosimea lor să nu difere cu mai mult de 0,02mm. O diferenţă de grosime mai mare duce la supraîncărcarea pernei mai groase, ceea ce poate produce topirea stratului de aliaj antifricţiune.

Bibliografie

1 Maşini si instalaţii navale - Conf.dr.ing Mariana Panaitescu - Conf.dr.ing Viorel Panaitescu Ed. Exponto Constanţa 2001

2 Termotehnică şi maşini termice - Prof. dr. doc. ing. Bazil Popa - Ş.l. ing. Constanţa Vintilă Ed. Didactică şi Ped. Bucureşti 1977

3 Ghid de pregătire profesională în termoenergi - Dr. ing. Pavel Bocănete - Ing. Filip Rouadedeal Ed. Tehnică Bucureşti 1989

4 Cazane cu abur - Prof. Ştefan Gheorghiu

Ed. Didactică şi Ped. Bucureşti 1966

5 Exploatarea căldărilor navale - Şef maritim expert consultant Ioan Andrei Toacă Ed. Muntenia Constanţa 1995