AIP podmornice

AIP podmornice

offline
  • ML 
  • Novi MyCity građanin
  • Pridružio: 19 Avg 2014
  • Poruke: 11
  • Gde živiš: Ankaran

Napisano: 23 Avg 2014 12:28

AIP podmornice

Za države koje žele imati podmorničku flotu, a ne žele, odnosno ne mogu sebi priuštiti nuklearnog pogona, razvijene dizel-električne podmornice su priručno rešenje. One su jeftine (u odnosu na nuklearne), a imaju široko polje primene u pomorskom ratovanju, pogotovo što su na njima ugrađene tehnologije, koje su prvo razvijane za nuklearne podmornice.
Ahilova peta ovih podmornica je ostala zavisnost od punjena baterija na površini mora, znači zavisnost od atmosferskog vazduha. One se u svakom slučaju mogu priručnije upotrjebiti za neke buduće pomorske sukobe, pogotovo u litoralnim vodama. Velika prednost tih podmornica je njihova veličina i tiho djelovanje. Konvencionalne podmornice imaju puno manji odraz na aktivnom sonaru, a kada rade u režimu elektromotora daleko su tiše od nuklearnih kolegica. Dalje, konvencionalne podmornice mogu ležati neprimijetne na dnu čekajući praktično neprimijetne nadolazak neprijatelja, kod nuklearnih to nije slučaj, jer im je potreban konstantno protok mora, preko pumpi, za hlađenje reaktora, a kako su usisne košare na dnu podmornice(u najviše slučajeva), to za njih nije opcija djelovanja.
Dani ne-nuklearnih podmornica su daleko od toga da su prošlost. Sa unaprjeđenim AIP (air-independent propulsion) one su ostale ozbiljna konkurencija nuklearnim podmornicama
AIP, generički opredjeljuje sve sisteme koje omogučuju podmornici podvodnu plovidbu bez potrebe izlaska na površinu odnosno na šnorkel dubinu radi punjenja bataerija.
Ovakvi sistemi produljuju sposobnost boravka podmornice pod vodom zavisno od brzine do nekoliko sedmica, bez poterebe izlaska na površinu.
Da izbjegnu detekciju , podmornice moraju ostati zaronjene, koristeći , idealno govoreći, nezaznavne izvore energije. Za konvencionalne podmornice, AIP povećava dužinu podvodnog boravka i djelovanja podmornice, što znači da više nije potrebna, bar ne tako često, konekcija sa atmosferom radi vazduha i ispuštanja nus produkata sagorjevanja. To pak uveliko smanjue mogućnosti otkrivanja radarom ili npr. termalnom metodom.
Najednostavnija forma AIP su baterije. Idealni AIP za podmornice bi morao biti tih, imati mali termalni podpis, ne bi smio imati potrebu za iskrcaj-izbacivanje kontaminiranih materija, koje bi bile na neki način otkrivene i naravno mogučnost djelovanja bez atmosferskog vazduha.
Ovi sistemi se ne ograničavaju samo na korištenje u podmornicama, oni sve veću primjenu nalaze za sve vrste podmorskih vozila i platformi.
Sistemi koji su se, odnosno se primijenjuju se mogu podijeliti generalno u:
-AIP toplotne mašine
-AIP hemijski izvor energije ( tihi pogon)
Današnje AIP podmornice treba posmatrati kao hibride, ni jedna nema još isključivo AIP pogon, uvijek je tu prisutan svemogući dizel.
Za vršne snage u zaronjenom snagu potrebna energija i baterija i AIP pogona.
AIP pogon danas omogučava duže zadržavanje ispod površine.
Kako to izgleda na šemi.



AIP toplotne mašine su:

-Walter sistem, Walterova turbina s kondenzatorom pare, komorom za izgaranje, uređajem za dovod goriva i dezintegraciju vodikovog peroksida koji služi kao oksidator i izvor toplote.pokazala je dosta slabe rezultate i napuštena je. Trajanje pogona ograničeno je zalihama peroksida. Omjer utroška goriva i oksidatora je 1:9. Eksperimentalna njemačka 90 tonska podmornica sa turbinom je postigla podvodnu brzinu od 28 čv, što je dalo poticaj za izgradnju borbenih podmornica, koje međutim nisu uspjele uzeti učešće u ratu.Posle drugog svjetskog rata se ugrađuju na britanske podmornice Explorer i Excalibur koje su postizale brzine od 25 čv. Kasnije se odustalo od tog pogona, pre svega radi skupog vodik peroksida.

-Dizel motor zatvorenog kruga, koji radi dovođenjem kisika koji se mješa sa ispušnim gasovima radi dostizanja koncentracije kisika slične kao u vazduhu, za zagon pod vodom dok još nema ispušnih plinova se koristi miješanje sa argonom iz spremnika. Sa tim dizel motorom je najviše eksperimentisao SSSR, Nijemci, Britanci i Nizozemci.

-Stiringov motor je stapni motor , kod koga se izgaranje dešava van cilindra, zagrijavaju se stijene cilindra.Radni medij u cilindrima je vazduh, kod podmornica helij. Na jednoj strani se
radi zagrijavanja širi dok se na drugoj strani ohlađen skuplja. Radi razlike u pritiscima stapovi naizmjenično idu zajedno i udaljuju se. Stapovi su spojeni rombičnim mehanizmom koji njihovo kretanje pretvara u vrtnju.
Izgorjevanje se dešava izvan motora kontinuirano tako da nema eksplozija i potpuno je tih.
Za zagrijavanje se na podmornicama upotrebljava dizel gorivo i kisik pod pritiskom 60atm, tako da produkti izkaranja usljed velikog pritiska slobodno izlaze u more. Kisik se i kod ovog sistema dijelimično mješa ispušnim plinovima.

- MESM parne turbine, para nastaje u kotlu koji za gorivo upotrebljavaju etanol i kisik, opet pod visokim pritiskom tako da produkti izgaranja bez posebnog kompresora bivaju odvedeni u more. Taj sistem su razvili i primijenili na podmornicama Francuzi.

-Radijacija crnog tijela (nema potrošnje kisika). Testovi su vršeni 1971 godine, obustavljeni su, ali nikako ideja nije završila na zgarištu istorije.
Radi se o mašini zatvorenog cikla koja kao izvor toplote koristi grafitne blokove zagrijane na 2500 stepeni C. inertni gas kruži oko tog bloka, uzima toplotu i okreće turbinu, ili pokreće klipove, vrača se i zatvara komletni krug. Ispitianja su vršena na gasnoj turbini zatvorenog cikla (na principu Brayton-ovog cikla).
Ideja je prezentovana i u Pentagonu 1971. Ideja je bila da bi podmornica nosač, nuklearna naravno, snabdjevala manje podmornice koje su bazirane na njoj sa grafitnim blokovim, koji se opet po potrošnji mogu napuniti toplotnom energijom. Ove manje podmornice bi nešto slično kao lovci operisali oko podmornice. Mogli bi imati vanjsko naoružanje i mogli bi se masovno proizvoditi po niskoj cijeni.
Ideja je odbačena, međutim treba znati da se ova tehnologija može koristiti na manjim podmorskim vozilima, tipa lovca mina ili jeftinih torpeda.


AIP hemijski izvor energije

-Gorive ćelije, gdje se kroz katalizator i membrane dovođenjem vodika i kisika stvara električna energija, voda i toplota
Za sada gorive čelije predstavljaju najnaprednije rješenje, i pružaju največi potencijal što se tiče nezaznavnosti podmornice pod morem, kao i za primenu na podvodne platforme sa bez posade.
Gorive čelije pretvaraju gorivo i oksidanta direktno u električnu energiju, elektrohemijskim procesom, stepen iskoristivljosti se penje do 100%. U praksi je to ipak manja negdje 40-65%. Gorive čelije nemaju pokretnih dijelova, pretvorba, odnosno generiranje električne energije je tiho, traže minimalno održavanje i imaju dug operativni vijek.
Postoji više vrsta gorivih čelija, ali kao optimalna se pokazala Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Ova tehnologija pokazuje največi potencijal za ugradnju u podmornice, nudi najveću težinsku i volumetričku gustoču energije i operiše na temperaturama do 80 stepeni C.

nastavlja se...












Dopuna: 23 Avg 2014 19:09

Gorive ćelije kao izvor energije za tihi pogon podmornica i smanjenje mogučnosti za njihovu detekciju

Ovdje se neču upuštati u ostale tipove AIP pogona, pogon pomoču gorivih čelija je ipak pogon koji nejviše obećava.

Brzi presjek i komparacije sa ostalim AIP sistemima na podmornicama.
U najednostavnijoj formi i baterija može predstavljati AIP pogon, nezavisna je od vazduha i daje energiju bez potrebe za kisikom. Međutim baterija kao spremnik energije dosta malo traje , aproksimativno oko 5 dana najekonomičnije vožnje, nakon čeka podmornica mora izači na dubinu šnorkela radi paljenja dizel motora i punjena baterija. To pogotovu u obalnim vodama završava otkrivanjem podmornice. Znači AIP pored nečujnosti, znatno produljuje njen boravak pod vodom što drastično povećava njenu nevidljivost.
Da bi se to vrijeme pod vodom produžilo postojala je potreba za AIP pogonom koji je trebao biti:
-pre svega tih
-imati mali termalni podpis
-kao nus produkte nije smio stvarati kontaminaciju okoline, po kojoj bi bio primjećen.
Današnji AIP pogon je kombinacija onoga što danas nazivamo AIP pogonom( dizel zatvorenog cikla,Stiringova mašina, francuska MASMA, gorive čelije) i spremnika električne energije baterija, koje su još uvijek potrebne za dosezanje vršnih snaga, snagu za zagon AIP pogona, kao i rezervni izvor energije u slučaju istrošenih gorivih elemenata.
Zašto baš gorive čelije? Pre svega od svih drugih AIP pogona se razlikuju jer nemaju gibljivih djelova i znači da su i nečijnije, a što je isto tako značajno troše najmanje kisika od svih pomenutih pogona po kwh, što povečava njenu nevidnost, odnosno vrjeme koje može provesti pod površinom.


Ima više vrsta gorivih čelija, koje operišu na raznim režimima, pre svega temperatura od 1000stepeni celzija , solid oksid gorive čelije (SOFC), one koriste direktno ugljikovodična goriva, molten ugljične gorive čelije koje operišu na oko 650 stepeni celzija, isto koriste dizel gorivo, gorive čelije sa fosfornom kiselinom koje operišu na 200 stepeni , alkidne gorive čelije …
Od svih ovih vrsta na podmornicama su se kao najbolje pokazale PEMFC, (Proton Exchange Mebrane Cell), koje pružaju hajveću težinsku i volumetričku gustinu energije, a operišu na temperaturama pod 80 stepeni.
Simens je podpisao ugovor sa Njemačkim ministarstvom odbrane o razvoju postrojenja gorivih čelija i to za podmornicu tip 208. Prvo se je mislilo upotrjebiti alkalne gorive čelije, ali je bilo problema s atom tehnologijom, pa su se preusmjerili u PEMFC , koje su ispitno ugrađene na klasu 205, sa kojom su izvršene probne vožnje 1988g. Uzgred budi rečeno na istoj klasi su ispitani i dizeli zatvorenog kruga. Konačno je pogon ugrađen na 212, koja je porinuta 2002 godine.
Kao gorivo sa najvećom gustinom energijeupotrebljava se vodonik, bar što se težine tiče, 33kWh/kg, u komparaciji sa dizelom i metanolom, od 13,2-6,2 kWh/kg. Međutim kod podmornice je veoma važan i volumen, pa se tako postavio problem pronalaženja najboljeg načina za skladištenje vodonika.

Gorive čelije za proizvodnju električne energije trebaju gorivo i oksidant. Za gorivo smo već rekli da je izabran vodonik, a kao oksidant je obično kisik.

Postoji više načina za skladištenje vodonika, međutim na podmornici je odlučujući kriterij volumen, još više nego sama težina.
Može se hraniti kao gas pod pritiskom, pod pritiskom 700bara, faktor skladištenja je 11 wt% vodonika, što je ekvivalent 2,5kWh/kg. Takvo skladištenje je pogodno za podvodna vozila i vozila za prevoz diverzanata.

Skladištenje vodonika u tečnom stanju podrazumjeva niske temperature skladištenja, pod -253 stepena, št označi specijalno izoliran kontejner odnosno rezervar.

Dalje postoji skladištenje u metal hidridu, npr litium hidrid, koji može odpuštati vezani vodonik ili pod visokim temperaturama ili u reakciji sa vodom. Normalno da je proces reverzibilan, znači može se i ponovo vezati sa vodonikom. Nalazi se u kontejneru. Ovo skladištenje karakteriše velika težina ali zato manji volumen nego kod tečnog vodonika. Ovako skladištenje je i sigurnu jer vodnonik nije slobodan gas. Pritisak u kontejneru je isto relativno mali 10 do 15 bara.
Njemci su za klasu 212 predvidili da vodonik bude pohranjen na ovaj način, tako ima 18 hidridnih tankova , svaki težak 4,4 tone, sa volumenom 1200l, sposoban pohraniti 1MWh energije po tanku.
Ovi tankovi ne trebaju neko održavanje pa se mogu postaviti izvan glavnog čvrstog trupa podmornice.

Mnogo se je polagalo i na skladištenje u tankove sa nanofibrama ugljika na koje se veže vodonik. Bilo je čak predpostavljano da bi oslobađanje i vezanje vodonika bilo oko 43-58wt% bez zagrijavanja. Međutim pokazalo se da je taj faktor dosta manji, a i sam sistem je skup, tako da traži dalje ispitivanje za ekonomičnu primjenu.

Uglavnom u 2000 godinama najviše se polagalo u ova dva zadnja tipa skladištenja.
Dalje ćemo nešto reći o metanolu, dizelu i direktnoj oksidaciji ugljenovodonika.

Pridobivanjem vodonika iz metanola.
Što se tiče energetske gustoće je vrlo blizu sistemima skladištenja sa ugljičnim nanofibrama i metal hidridima, što če se kasnije vidjeti iz tablica. Recimo u odnosu na skladištenje u metal hidridima za istu količinu energije, sistem je dva puta lakši, ali oko 15% volumetrički veći.
Potrošnja kisika je veća , a to zbog toga što je kisik potreban , osim za gorive čelije i za proizvodnju vodonika iz metanola, ili za djelimičnu oksidaciju ili za gorenje i proizvodnju pare potrebne za pretvorbu metanola u vodonik..
Ugljeni monoksid koji se pojavljuje tijekom pretvorbe, nalaže čiščenje prije upotrebe u gorivim čelijama, jer je štetan pre svega platinski katalizator,koji se koristi u PEM gorivim čelijama.
CO2, koji se pojavljuje prilikom pretvorbe se bez velikih problema i sa minimalnim podpisom može izbacivati u more.
Sam sistem ima sledeće komponente:
- Rezervar za metanol
- Rezervar za kiseonik
- Parni pretvarač
- Sisteme za prečiščavanje vodonika
- Sistem za rukovanje sa CO2
Metanol je tečnost i skladišti se kod sobnih temperatura u tankove. Da tankovi nebi bili u čvrstom trupu skladišti se u lakom trupu, ali kako ne smije doći u direktni kontakt sa vodom, skladišti se u vreće od materjala otpornog na metanol, tako da trošenjem se volumen vreče smanjuje a nadomješta je voda-more.
Ako je sistem izveden kako treba, ne bi trebalo da predstavlja veliki rizik za podmornicu.






Proizvodnja vodika od nafte.
Dizel i kerozin imaju dvostruku energetsku gustoću u odnosu na metanol, međutim njihova reformacija je manje efikasna, tako da kod konverzije u električnu energiju ostane 30% , a kod metanola je iskoristak 55-60 %.
Dizel ima u sebi dosta sumpornih spojeva koji su smrt za reformer i za katalizator u gorivim čelijama.
Sam sistem je pozitivan radi volumetričke i težinske gustoće energije,a i obezbeđena je logistika za napajanje, krcanje nafte, ali ima podosta nedostataka pre svega, potrebno je čiščenje spojeva sumpora iz goriva, U sistemu su potrebne velike temperature i pritisci, odvođenje gasova koji nastaju pri reformaciji, kao i velike potrošnje kisika koji iziskuju veće rezervare tog plina.
Šema dole je sistem sa uzimanjem kisika iz vazduha, kod podmornica bi to bilo iz rezervara kisika.[attachment=1]
Pored toga se razmatralo i direktna oksidacija alkohola i ugljenovodonika kao goriva u gorivim čelijama (zamjena za vodonik), ali su tu potrebne velike temperature gorivim čelijama (od čvrstih oksida) tamo od 750-1000stepeni, kao i velika količina nus produkata, što ovaj sistem čini neupotrebljiv za podmornice.




Skladištenje kisika na podmornici.
Svaki AIP ima potrebu za skladištenjem veće količine kiseonika.
Kiseonik se može skladištiti kao ga sili kao tečnost.
Za skladištenje u gasovitom stanju su potrebni veliki i teški tankovi. Iako se rade od kompozitnih materiala, to povečava njihovu cijenu, a pate i od malih volumetričkih performansi, tako da ostaju prihvatljivi samo za manje objekte.
LOX sistem (Liquid Oxygen) podrazumjeva ohlađena skladišta za kisik, u subkritičnoj ili superkritičnoj formi. Subkritična, obično se upotrebljava, održava kisik u tečnom stanju (temperature su manje od -118,6 stepeni, a pritisak je od 3-55bara)
Takođe se može skladištiti u superkrtitinoj fazi, kao superkrtitična tečnost ( praktički niti je tečnost niti je plin, neka prelazna faza). Tu su temperature veće od -118 stepeni, ai pritisak je veći od 50 bara.
Ovaj drugi način je pogodniji za podmornice zbog toga što nema narušavanja stabiliteta zbog slobodnih površina tečnosti.
Sekundarni sistem skladištenja podrazumijeva snabdjevanje kisikom putem kemijske reakcije. To su razni superoksidi, vodonikov peroksid…
Primarni način je gledajući na iskoristivost, optimalan i on se uglavnom upotrebljava.
Na klasi 212 LOX je pohranjen u superizolisanim rezervarima van čvrstog trupa, ali je sam vanjski sloj rezervara napravljen od istog materiala kao i čvrsti trup podmornice. Podmornica ima dva rezervara, svaki sa svojim uplinjačem, što osigurava da LOX ne može doći u podmornicu. Postavljanje rezervra van čvrstoh trupa daje veći stepen sigurnosti, mada se primijenjuje i skladištenje unutar čvrstog trupa. Fincantieri je izgradio podmornicu S 500, koja ima unutrašnji rezervar, koji snabdjeva kisikom dizel zatvorenog cikla. Ove podmornice su male, oko 500t.
Pored toga što je kisik potreban za pogon , poteban je i posadi. Svaki član posade treba u prosijeku 1lkisika dnevno za preživljavanje, npr ako patrola traje 50 dana, a na podmornici je 50 članova posade to iznosi oko 2,5t kisika.
Kada se neko pita o opasnosti vodika na podmornici, puno je opasniji kisik koji i u dodiru sa mazivima može dovesti do eksplozije. Zato su kod montiranja ovih postrojenja preduzete sve moguće mjere zaštite.



Registruj se da bi učestvovao u diskusiji. Registrovanim korisnicima se NE prikazuju reklame unutar poruka.
offline
  • jazbar 
  • Legendarni građanin
  • Pridružio: 28 Dec 2009
  • Poruke: 12783
  • Gde živiš: Lublana

Japanci na novim Soryu klasi podmornicama neće upotrebljavati AIP več bolje baterije LI-ion. Kažu AIP je previše ogranićen snagom i skup za održavanje.

http://www.defensenews.com/article/20140929/DEFREG.....Propulsion



offline
  • Pridružio: 10 Jun 2008
  • Poruke: 3443

Lep video dela onoga o cemu je @ML pisao:




I još ovo. Mozda jednog dana zaživi Smile

Citat:New material steals oxygen from the air

Researchers from the University of Southern Denmark have synthesized crystalline materials that can bind and store oxygen in high concentrations. Just one spoon of the substance is enough to absorb all the oxygen in a room. The stored oxygen can be released again when and where it is needed.

The key component of the new material is the element cobalt, which is bound in a specially designed organic molecule.


Vise na -> http://phys.org/news/2014-09-material-oxygen-air.html
i
https://findresearcher.sdu.dk:8443/ws/files/102792831/c4sc01636j.pdf

Ko je trenutno na forumu
 

Ukupno su 365 korisnika na forumu :: 15 registrovanih, 1 sakriven i 349 gosta   ::   [ Administrator ] [ Supermoderator ] [ Moderator ] :: Detaljnije

Najviše korisnika na forumu ikad bilo je 1540 - dana 15 Jul 2016 20:19

Korisnici koji su trenutno na forumu:
Korisnici trenutno na forumu: Bane san, beowl, danilopu, Djole, DJORDJE-NO-1, gogineman, ivan979, lakibatica, majstorjoe, Metanoja, psyho93, raketaš, Sasa Pavlovic, Trpe Grozni, WS2