Ναυτικός ατμολέβητας

Ναυτικοί ατμολέβητες ονομάζονται οι ατμολέβητες των ατμοπλοίων, οι οποίοι και αποτελούν ιδιαίτερης σημασίας τμήμα των κυρίων εγκαταστάσεων πρόωσής των. Με τέτοιους ατμολέβητες είναι επίσης εφοδιασμένα και τα ντηζελοκίνητα πλοία που τροφοδοτούνται με τα καυσαέρια των κυρίων μηχανών τους για κάλυψη του εκ του παραγόμενου ατμού αναγκών τους.

Γενικά 

Οι κατασκευαστές αυτών των τύπων ατμολεβήτων καταβάλουν συνεχείς προσπάθειες προκειμένου να πετύχουν: α) τον μέγιστο βαθμό απόδοσής των, β) τη μεγαλύτερη δυνατή αντοχή, ασφάλεια λειτουργίας και διάρκεια ζωής των και γ) την ελαχιστοποίηση βλαβών.

Για την επίτευξη όμως των παραπάνω απαιτείται πρώτιστα η καλή λειτουργία και η επιμελημένη συντήρηση αυτών, την ευθύνη των οποίων φέρουν οι Μηχανικοί και το πλήρωμα μηχανής των πλοίων που οφείλουν να γνωρίζουν τη δομή, τα βασικά χαρακτηριστικά αυτών αλλά και κάθε οργάνου ή μηχανισμού που σχετίζεται με τους ατμολέβητες καθώς και το σκοπό και τον τρόπο λειτουργίας εκάστου.

 Ο Χώρος στον οποίο εγκαθίσταται ναυτικός ατμολέβητας στα πλοία ονομάζεται λεβητοστάσιο που βρίσκεται πρώραθεν του μηχανοστασίου των πλοίων. Αν όμως βρίσκεται μέσα στο Μηχανοστάσιο τότε όλος ο χώρος ονομάζεται Μηχανολεβητοστάσιο.

Ιδιότητες ν. ατμολεβήτων 
Λόγω των ιδιαίτερων συνθηκών λειτουργίας και της ανάγκης ικανοποιητικής ανταπόκρισης αυτών στις εγκαταστάσεις των πλοίων, θα πρέπει αυτοί να παρουσιάζουν τις ακόλουθες ιδιότητες:
 Ελάχιστο δυνατό όγκο και βάρος. Αυτό επιτυγχάνεται με την αύξηση της ταχύτητας κυκλοφορίας του νερού, της ταχύτητας των καυσαερίων, της θερμαινόμενης επιφάνειας και του βαθμού καύσης, (που αυξάνεται με την εφαρμογή κυρίως τεχνητού ελκυσμού και της "υπό πίεση" καύσης).
 Μέγιστη απόδοση ορίων ατμοπαραγωγής. Αυτή επιτυγχάνεται με την ορθή κατανομή της απορρόφησης θερμότητας μέσα στο λέβητα, του οικονομητήρα, του προθερμαντήρα αέρος και του υπερθερμαντήρα.
 Ικανότητα παροχής ατμού με ευρεία όρια μεταβολής της ατμοπαραγωγής. Αυτή επιτυγχάνεται με ορθό υπολογισμό και σχεδίαση του υπερθερμαντήρα με τη χρήση κατάλληλων οργάνων ελέγχου της θερμοκρασίας του υπερθέρμου.
 Μέγιστη ικανότητα προσαρμογής σε αυξομείωση ατμοπαραγωγής. Αυτό επιτυγχάνεται με τον απαραίτητο μεγάλο όγκο ατμοθαλάμου που ενεργεί στη προκειμένη περίπτωση ως συσσωρευτής ατμού.
 Μικρό χρόνο ατμοποίησης. Αυτό εξαρτάται από τη σχέση θερμαινόμενης επιφάνειας ως προς τον όγκο του περιεχομένου νερού.
 Μεγάλη ασφάλεια λειτουργίας. Αυτή εξαρτάται από τη σχεδίαση και καταλληλότητα των υλικών κατασκευής.
 Μικρή απώλεια ακτινοβολίας στο χώρο εγκατάστασης. Επιτυγχάνεται με χρήση κατάλληλων αντιπυρικών και αντιθερμικών μονωτικών υλών στη κατασκευή των εστιών και στους υδροτοίχους και αγωγούς.
 Μεγάλη ευχέρεια επιθεώρησης, καθαρισμού και επισκευής. Αυτή εξαρτάται κυρίως από τη εργοστασιακή σχεδίαση και τον υπάρχοντα χώρο της εγκατάστασης στα πλοία.
 Επαρκή, (ικανοποιητική), εγκατάσταση απαραίτητων οργάνων ελέγχου και λειτουργίας.

Όλες οι παραπάνω προϋποθέσεις μαζί με την πείρα των κατασκευαστών χρησίμευσαν ως οδηγός τόσο στη θερμοδυναμική όσο και στη κατασκευαστική μελέτη των ναυτικών ατμολεβήτων κατά την εξέλιξη αυτών στο πέρασμα των χρόνων μέχρι του σημείου που σήμερα να έχουν αυτοί τελειοποιηθεί.

Τύποι ν. ατμολεβήτων 
Οι ναυτικοί ατμολέβητες κατατάσσονται σε δύο βασικές κατηγορίες: α) ανάλογα με τη θέση του θαλάμου καύσης και του υδροθαλάμου, και β) ανάλογα του τρόπου κυκλοφορίας του νερού. Με βάση αυτών οι λέβητες διακρίνονται σε:
 Λέβητες εσωτερικής εστίας, που καλούνται και φλογαβλωτοί λέβητες.
 Λέβητες εξωτερικής εστίας, που καλούνται και υδραυλωτοί λέβητες.
 Λέβητες φυσικής κυκλοφορίας, και
 Λέβητες τεχνητής κυκλοφορίας ή βεβιασμένης κυκλοφορίας.

Οι λέβητες εσωτερικής εστίας ή φλογαυλωτοί περιβάλλονται από τον υδροθάλαμο, ενώ οι εξωτερικής εστίας ή υδραυλωτοί είναι εκτός υδροθαλάμου. Το χαρακτηριστικό των φλογαυλωτών είναι ότι εσωτερικά των αυλών διέρχονται φλόγες και καυσαέρια ενώ εξωτερικά περιβάλλονται από νερό. Στους υδραυλωτούς συμβαίνει ακριβώς το αντίθετο.
Στους λέβητες φυσικής κυκλοφορίας, η κυκλοφορία πραγματοποιείται με μόνη τη θέρμαση του νερού, ενώ αντίθετα στους τεχνιτής κυκλοφορίας αυτή συμβαίνει με μηχανικά μέσα που ονομάζονται αντλίες κυκλοφορίας.

Ιστορία 
Πρώτοι υπήρξαν οι φλογαυλωτοί λέβητες που κατασκευάστηκαν σε δύο τύπους, τους κυλινδρικούς λεγόμενοι και "ευθείας φλόγας" ή "λέβητες Αγγλικού Ναυαρχείου", και στους επίσης κυλινδρικούς "επιστρεφόμενης φλόγας" απλής ή διπλής πρόσοψης. Οι πρώτοι φέρουν τους αυλούς σε προέκταση του κλιβάνου έτσι ώστε φλόγες και καυσαέρια να οδεύουν εξ αυτών κατ΄ ευθείαν προς τη καπνοδόχο.

Οι δεύτεροι φέρουν τους αυλούς πάνω και παράλληλα από τους κλιβάνους έτσι ώστε φλόγες και καυσαέρια ν΄ αναστρέφουν και να εισέρχονται στους αυλούς οδεύοντας μέσω αυτών στη καπνοδόχο.

Από τους φλογαυλωτούς λέβητες ο επιστρεφόμενης φλόγας που ονομάζονταν και "Σκωτικός" ή Σκοτσέζικος λέβητας" (Scotch boiler) ήταν εκείνος που χρησιμοποιήθηκε εντονότερα κατά τον προηγούμενο αιώνα μέχρι τις αρχές του 20ου, λόγω των περισσοτέρων πλεονεκτημάτων του. Ο τύπος αυτός χρησιμοποιήθηκε ως γαιανθρακολέβητας και ως πετρελαιολέβητας με πολλές κατά καιρούς βελτιώσεις.
Στα τέλη του 19ου αιώνα με την εισαγωγή στα πλοία της παλινδρομικής μηχανής τριπλής εκτόνωσης και στη συνέχεια (1894) του ατμοστροβίλου διαπιστώθηκε ότι οι φλογαυλωτοί παρά τις βελτιώσεις τους ήταν πλέον ανεπαρκείς. Έτσι κατέστη ανάγκη κατασκευής των υδραυλωτών ατμολεβήτων που αποδείχθηκαν τελικά ικανότεροι στη ταχεία παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης και με διαστάσεις και βάρος μικρότερα των ισοδύναμων φλογαυλωτών. 

Η κατασκευή των υδραυλωτών σημείωσε αλματώδη εξέλιξη στον 20ο αιώνα. Κύριος ανασταλτικός παράγοντας στην αρχή της ανάπτυξής των ήταν η εναπόθεση καθαλατώσεων, (άλατος), στο εσωτερικό των αυλών που επέφεραν τη καταστροφή τους. Τέτοιο βεβαίως πρόβλημα ΄παρουσίαζαν και οι φλογαυλωτοί που όμως σ΄ εκείνους ήταν λιγότερες οι συνέπειες λόγω του μεγάλου όγκου νερού, της χαμηλής πίεσης και του μικρού σχετικά βαθμού ατμοποίησης. Το εμπόδιο αυτό τελικά ξεπεράστηκε με χρησιμοποίηση αποσταγμένου νερού με χημική επεξεργασία (αφαλάτωση). Έτσι ξεπερνώντας το πρόβλημα άρχισαν να κατασκευαζονται με τη πάροδο του χρόνου οι λέβητες "περιορισμένης κυκλοφορίας", όπως οι τύπου "Belleville", στη Γαλλία, και παράλληλα οι "ελεύθερης κυκλοφορίας" που αναπτύχθηκαν στην Αμερική, όπως οι πολλοί γνωστοί στο χώρο, "Μπαμπκόκ-Γουϊλκόξ" (Babcock-Wilcox), ενώ στην Αγγλία εμφανίζονται οι υδραυλωτοί "ταχείας κυκλοφορίας" τύπου Α, όπως οι Γιάροου (Yarrow), Θόρνυκροφτ (Thornycroft), Γουάϊτ-Φόστερ (White-Foster) κ.ά.

Στα τελευταία χρόνια εξ όλων των παραπάνω η κατασκευή υδραυλωτών λεβήτων "ταχείας κυκλοφορίας" υπήρξε αλματώδης σε πλείστους τύπους. Σήμερα οι λέβητες αυτοί εφοδιάζονται επιπρόσθετα και με άλλες απαραίτητες συσκευές όπως οικονομητήρες, υπερθερμαντήρες, προθερμαντήρες αέρος καθώς και με τα πλέον εξελιγμένα εξαρτήματα ελέγχου της λειτουργίας των. Σήμερα τα μεγαλύτερα εργοστάσια κατασκευής ναυτικών λεβήτων είναι των εταιρειών Babcock-Wilcox Co, Foster-Wheeler Co. και Combustion Engineering Co.
Ανεξάρτητα όμως των παραπάνω και σήμερα ακόμη συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται φλογαυλωτοί λέβητες κατακόρυφου ή οριζόντιου τύπου, περισσότερο όμως ως βοηθητικοί λέβητες.

Μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο εμφανίσθηκε η κατασκευή των ατμογεννητριών υψίστης πίεσης που επέβαλε η ανάγκη χρήσης ακόμη υψηλότερης πίεσης ατμού. Η κατασκευή των ατμογεννητριών* βασίστηκε σε νέες αρχές που κάποιες εξ αυτών είχαν εφαρμοστεί περιορισμένα στους κλασικούς λέβητες.
Τέλος μέγα και αποφασιστικό βήμα στην εξέλιξη των ατμολεβήτων στη σύγχρονη εποχή θα μπορούσε να θεωρηθεί η χρήση της ατομικής ή πυρηνικής ενέργειας στο πλαίσιο της ατμοπαραγωγικής εγκατάστασης.
 (*) Οι ατμογεννήτριες χαρακτηρίζονται ως ατμολέβητες "υψηλής πίεσης αναγκαστικής κυκλοφορίας". Αντιπροσωπευτικοί τύποι αυτών είναι οι τύποι: Μπένσον (Benson), Λαμόντ (Lamont), Σούλτσερ (Soulzer), Σμιντθ Χάρτμαν (Smidth - Hartman), κ.ά. Η χρήση αυτών σε πλοία ήταν μάλλον περιορισμένη.

Κύριες λειτουργίες 
Οι κύριες λειτουργίες που παρατηρούνται σ΄ ένα ναυτικό ατμολέβητα είναι βασικά τρεις:
α) η καύση του καυσίμου, δια της οποίας η χημική του ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα.
β) η μετάδοση της εκλυόμενης θερμότητας, στο νερό του υδροθαλάμου, και
γ) η μετατροπή του νερού σε ατμό, (ατμοποίηση).

Εξαρτήματα ν. ατμολέβητα 
Γενικά τα εξαρτήματα των ναυτικών ατμολεβήτων είναι όργανα και μέσα που εξασφαλίζουν και ελέγχουν τη σωστή και απρόσκοπτη λειτουργία τους. Αυτά διακρίνονται σε "εσωτερικά" και "εξωτερικά εξαρτήματα" και σχετίζονται με το νερό και τον ατμό. Τα εξαρτήματα που σχετίζονται με τη καύση αποτελούν ιδιαίτερη κατηγορία.

Εσωτερικά εξαρτήματα 
 Ο εσωτερικός τροφοδοτικός σωλήνας. Ο σωλήνας αυτός συνδέεται με το τροφοδοτικό επιστόμιο του λέβητα και σε όλο το μήκος του είναι διάτρητος έτσι ώστε το ψυχρό νερό που εισέρχεται να κατανέμεται σ΄ όλο τον εσωτερικό χώρο, προς αποφυγή τάσεων στο υλικό που θα συνέβαινε από τη συσσώρευση του νερού σ΄ ένα σημείο του υδροθαλάμου.
 Ο εσωτερικός εξαφριστικός σωλήνας. Ο σωλήνας αυτός που προσαρμόζεται εξωτερικά του ατμουδροθαλάμου καταλήγει στη χοάνη, περί τη στάθμη του λέβητα, όπου μέσω αυτού οι διάφορες ελαιώδεις αφροί απάγονται στη θάλασσα ή σε ειδικό χώρο συγκέντρωσης.
 Τα εμποδιστικά διαφράγματα. Πρόκειται για ειδικά ελάσματα που τοποθετούνται κάθετα με σκοπό να εμποδίζουν την μετακίνηση της μάζας του νερού στις περιπτώσεις διατοιχισμού του σκάφους, που θα είχε ως συνέπεια την αποκάλυψη θερμαινόμενων επιφανειών στη φωτιά και την καταστροφή τους.
 Οι αποχωριστήρες ατμού Αυτά είναι ελάσματα ή δοχεία ειδικής κατασκευής μέσα από τα οποία ο διερχόμενος ατμός αποχωρίζεται από την υγρασία που παρασύρει κατά την έξοδό του από το λέβητα.
 Ο σωλήνας απαγωγής ατμού. Αυτός φέρεται προσαρμοσμένος στο ανώτερο σημείο του ατμοθαλάμου καθ΄ όλο το μήκος του. Είναι διάτρητος στο επάνω μέρος προκειμένου να συλλέγει όσο το δυνατόν στεγνό ατμό που άγεται στη συνέχεια στον ατμοφράκτη και από εκεί στη χρήση του, και
 Οι ψευδάργυροι ηλεκτρόλυσης. Αυτοί είναι τεμάχια καθαρού ηλεκτρολυτικού ψευδαργύρου που φέρονται μέσα στον υδροθάλαμο για την προστασία του από ηλεκτρολυτικές φθορές.

Εξωτερικά εξαρτήματα 
 Οι ατμοφράκτες. Πρόκειται για βαλβίδες διακοπής παροχής ατμού που φέρονται στο υψηλότερο σημείο του ατμοθαλάμου και συγκοινωνούν με τον εσωτερικό σωλήνα απαγωγής ατμού. Οι ατμοφράκτες σε κάθε ατμολέβητα είναι τρεις: ο "κύριος ατμοφράκτης", που παρέχει ατμό στη κύρια ατμαγωγό σωλήνωση, (προς τη κυρία μηχανή), ο "βοηθητικός ατμοφράκτης" που διοχετεύει στη δευτερεύουσα ή βοηθητική ατμαγωγό σωλήνωση, (προς βοηθητικές μηχανές), και ο "τοπικός ατμοφράκτης" που διοχετεύει ατμό στις μηχανές του λεβητοστασίου. 
 Τα ασφαλιστικά επιστόμια. Αυτές είναι ειδικές βαλβίδες που φορτίζονται και ρυθμίζονται έτσι ώστε ν΄ ανοίγουν σε ορισμένη πίεση προκειμένου να εξέρχεται δι΄ αυτών ο πλεονάζων ατμός προς την ατμόσφαιρα. Αυτά χρησιμεύουν για η διατήρηση του μέγιστου ορίου πίεσης ασφαλείας του λέβητα και να προλαμβάνεται τυχόν παραμόρφωσή του ή ακόμα και η έκρηξή του.
 Τα τροφοδοτικά επιστόμια. Αυτά είναι απλά επιστόμια με ανεπίστροφη βαλβίδα με απομονωτικό διακόπτη. Αυτά χρησιμεύουν για τον έλεγχο της εισερχόμενης ποσότητας τροφοδοτικού νερού.
 Οι τροφοδοτικοί ρυθμιστές. Είναι εξαρτήματα που επιδρούν στα παραπάνω τροφοδοτικά επιστόμια και ρυθμίζουν τη παροχή του νερού έτσι ώστε η στάθμη αυτού στο λέβητα να παραμένει σταθερά. Αυτοί φέρονται στη πρόσοψη του λέβητα και συγκοινωνούν με τον υδροθάλαμο και τον ατμοθάλαμο.
 Τα θλιβόμετρα. Πρόκειται για όργανα μέτρησης πίεσης που τοποθετούνται (δύο τουλάχιστον) ανά λέβητα και δεικνύουν την πίεση στον ατμοθάλαμο. Φέρουν βαθμολογημένο δίσκο ενδείξεων πίεσης σε Kg/cm2 ή p.s.i. από κανονικής λειτουργίας μέχρι την ανώτερη, (όπου και ανοίγουν τα ασφαλιστικά επιστόμια).
 Οι υδροδείκτες Αυτοί δεικνύουν τη στάθμη του νερού. Φέρονται στη πρόσοψη και συγκοινωνούν με τον υδροθάλαμο και ατμοθάλαμο.
 Οι δοκιμαστικοί κρουνοί. Είναι τρεις κρουνοί που φέρονται εξωτερικά του λέβητα περί την προβλεπόμενη εσωτερική στάθμη του νερού και αντιστοιχούν στη κατώτερη, στη κανονική και στην ανώτερη στάθμη του λέβητα. Με τη βοήθεια αυτών διαπιστώνεται μηχανικά η περίπου στάθμη του νερού σε περίπτωση βλάβης των υδροδεικτών. 
 Ο εξαεριστικός κρουνός. Αυτός φέρεται στο ανώτερο σημείο του ατμοθαλάμου και χρησιμεύει στην επικοινωνία του με την ατμόσφαιρα. Αυτός ανοίγεται κατά την αφή της φωτιάς για την έξοδο του ατμοσφαιρικού αέρα, καθώς και για την πλήρωση ή εκκένωση όταν ο λέβητας τεθεί εκτός λειτουργίας.
 Ο εξαφριστικός κρουνός. Αυτός ανοίγεται κατά τη λειτουργία, ανά διαστήματα, προκειμένου ν΄ αφαιρεθούν ελαιώδεις ουσίες και λιπαροί αφροί από την επιφάνεια του νερού, που προέρχονται από τα διάφορα έλαια λίπανσης μηχανών και μηχανημάτων.
 Ο κρουνός εξαγωγής νερού. Αυτός φέρεται στο κατώτερο σημείο του υδροθαλάμου και ανοίγεται κατά τη λειτουργία κάθε φορά που καθίσταται αναγκαία η εξαγωγή μέρους του νερού προς ελάττωση της πυκνότητάς του.
 Ο κρουνός εκκένωσης. Χρησιμεύει για την εκκένωση του λέβητα όταν αυτός δεν λειτουργεί.
 Οι κρουνοί εξυδάτωσης. Αυτοί χρησιμεύουν για την εξυδάτωση των υπερθερμαντήρων και των ατμαγωγών.
 Ο κρουνός αλατομέτρου. Φέρεται στο κατώτερο μέρος του υδροθαλάμου για δειγματοληψία του νερού για χημικές μετρήσεις.
 Το υδροκίνητρο. Αυτό φέρεται μόνο στους κυλινδρικούς λέβητες και χρησιμοποιείται για την αναγκαστική κυκοφορία του νερού του υδροθαλάμου ειδικότερα με την αφή της φωτιάς.
 Τα θερμόμετρα. Πρόκειται για θερμόμετρα ατμού
 Το σύστημα συναγερμού. Αυτό μπορεί να είναι οπτικό ή ακουστικό ή και τα δύο μαζί, που ενεργοποιείται σε περίπτωση υψηλής θερμοκρασίας του ατμού, και
 Οι δείκτες ροής ατμού, (όργανα ροής ατμού).

Εξαρτήματα καύσης 
 Οι καυστήρες
 Οι κώνοι αέρος
 Τα πυρόμετρα
 Τα υδροθλιβόμετρα ή αραιόμετρα
 Οι ενδείκτες καπνού (ή περισκόπια καπνού) και
 Οι εκκαπνιστήρες ατμού

Κυκλοφορία του νερού 
Το νερό θερμαινόμενο στον λέβητα κυκλοφορεί μέσα στον υδροθάλαμο μέχρι να υψωθεί η θερμοκρασία του στην απαιτούμενη για την ατμοποίηση. Η κυκλοφορία αυτή επιτυγχάνεται με δύο τρόπους (μεθόδους), τη λεγόμενη "φυσική κυκλοφορία" και την "βεβιασμένη κυκλοφορία". Η δεύτερη είναι σχετικά νεότερη μέθοδος και χρησιμοποιείται κυρίως στις εγκαταστάσεις ατμογεννητριών.

Φυσική κυκλοφορία 
Ως φυσική κυκλοφορία νερού μέσα στον ατμολέβητα μπορεί να χαρακτηρισθεί η κίνηση του νερού και του μίγματος νερού-ατμού μέσα από τους αυλούς του λέβητα, η οποία οφείλεται στη διαφορά της πυκνότητας λόγω της διαφοράς της θερμοκρασίας μερών του νερού.

Βεβιασμένη κυκλοφορία 
Η βεβιασμένη κυκλοφορία, που λέγεται και αναγκαστική ή τεχνητή κυκλοφορία είναι ανεξάρτητη από τη διαφορά πυκνότητας και θερμοκρασίας του νερού. Αυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ιδιαίτερης αντλίας κυκλοφορίας που καταθλίβει το νερό υπό μεγαλύτερη πίεση. Έτσι η βεβιασμένη κυκλοφορία διακρίνεται επιμέρους σε "ελεγχόμενη ανακυκλοφορία" και σε "εφάπαξ βεβιασμένη κυκλοφορία". Στην πρώτη η ποσότητα του παρεχόμενου νερού στον ατμολέβητα είναι περισσότερη από την εξατμιζόμενη με συνέπεια να επέρχεται ανακυκλοφορία. Στη δεύτερη η πλεονάζουσα ποσότητα νερού είναι ελάχιστη ή μηδενική, αφού αν υπάρξει πλεονάζουσα αυτή αφαιρείται. Οι ατμολέβητες εφάπαξ κυκλοφορίας ονομάζονται με τον διεθνή όρο "flash boilers", δηλαδή λέβητες ακαριαίας εξάτμισης.
 Γενικά η βεβιασμένη κυκλοφορία νερού εφαρμόζεται κυρίως σε λέβητες ή ατμογεννήτριες υψηλής πίεσης.

Μηχανική πλοίου
Ατμοπαραγωγή
Ατμομηχανές