ЛЕДОКОЛЬНОЕ СУДНО
ICE BREAKER

Изобретение относится к судостроению, а именно, к ледокольным судам и судам ледового класса, предназначенным для эксплуатации во льдах.
Известны ледоколы с отличающей по форме носовой оконечностью корпуса, подводная длина которой равна 5-7 расчетным толщинам толстого ледового поля [см. Патент РФ №2458812 «Носовая оконечность корпуса арктического ледокола», МПК B63B 3/00]. Достоинством такого технического решение является возможность концентрированного разрушения ледового поля, что повышает ледопроходимость арктических ледоколов. Однако его недостатками являются недостаточная ледопроходимость в режиме заднего хода и при осуществлении циркуляции с малым радиусом. Большую роль в возможности движения ледокола во льдах играет не зависящее от скорости движения ледокола сопротивление «сухого трения» его корпуса об лед [см. Д.А. Семенов, В.АВ. Зуев. Влияние изменения плотности воды и льда на сопротивление судов в битых льдах (http://www.nntu/ru/trudy/2012/03/178-185.pdf)]. Оно определяется в соответствии с законом Кулона-Амонтона из соотношения
тр
где F - сила трения,
B
ρ - плотность воды,
Л
ρ - плотность льда,
g - ускорение силы тяжести,
Л
h - толщина льда,
S - площадь корпуса судна на уровне ледового пояса в плане,
f - коэффициент трения пары «лед-корпус судна»,
λ - масштаб геометрического подобия.
Например, из результатов моделирования движения ледокола «Капитан Чечкин» с максимальной скоростью через битый лед толщиной 0,75 м и сплоченностью 10 баллов сила «сухого трения» составила бы 260 кН. Из соотношения
где P - мощность, «затрачиваемая» на преодоление силы трения,
υ - скорость ледокольного судна,
можно определить, что в указанных условиях на преодоление «сухого трения» корпуса данного ледокола об лед затрачивалось бы до 28% мощности энергетической установки ледокола. Решения-аналоги не содержат каких-либо устройств, снижающих затраты мощности ледоколов на преодоление указанной силы «сухого трения».
Недостатки, связанные с недостаточной ледопроходимость в режиме заднего хода частично устранены в ледоколе с корпусом клиновидной формы [см. Патент РФ №2268193 «Ледокольное судно, МПК: B63B 35/08].
Для обеспечения конструктивной защиты винторулевого комплекса ледокола от воздействия на него обломков льда как при работе ледокола на режиме переднего, так и на режиме заднего хода судно снабжено в районе кормы на плоском участке днища ледоотводящим поясом клинообразной формы, а также ледоразрушающими зубьями на плоском участке днища. Однако недостатки, связанные с малой ледопроходимостью в режиме циркуляции с малым радиусом и с затратами части мощности ледокола на преодоление сил «сухого трения» данное решение не устраняет.
Недостатки, связанные с недостаточной ледопроходимостью при осуществлении циркуляции с малым радиусом частично устранены в ледоколе, корпус которого оснащен боковыми ребрами для разламывания льда [см. Патент РФ №2262245 «Ледокол», МПК B63B 35/08]. Недостатком данного технического решения является то, что ширина взломанного ледового канала не совпадает судна, что увеличивает не продуктивные затраты мощности ледокола при его движении в ледовом поле. Данный недостаток устранен в ледоколе с взламывающими лед элементами, не выступающими за ледовый пояс ледокола [см. Патент РФ №2041121 «Ледокол», МПК B63B 35/08]. Однако недостаток, связанный с затратами части мощности ледокола на преодоление сил «сухого трения», данные технические решения не устраняют.
Решения-аналоги имеют также еще ряд недостатков, проявляющихся при проводке караванов судов во льдах. Для обеспечения движения во льдах каравана судов ширина корпуса ледокола должна превышать ширину наиболее крупного судна в составе каравана. Создание широкого прохода во льдах, соответствующего ширине современных судов большого водоизмещения, возможно или двумя стандартными ледоколами, что резко увеличивает стоимость проводки каравана судов, или одним ледоколом с весьма широким корпусом. В последнем случае необходима большая мощность энергетической установки ледокола, что, в свою очередь, приводит к увеличению водоизмещения ледокола и связанные с этим сложность и дороговизну его эксплуатации. Существенным недостатком решений-аналогов является также нерациональное использование тепловой мощности энергетической установки судна. Мощность, передаваемая от энергетической установки к винторулевому комплексу, как правило, не превышает 1/3 от тепловой мощности энергетической установки. Существенная часть остальной энергии энергетической установки в виде тепла безвозвратно рассеивается в окружающую среду охлаждающим энергетическую установку контуром.
Указанные недостатки частично устранены в ледокольном судне «Балтика» с несимметричной формой корпуса [см. http://neftegaz.ru/news/view/112135] - прототип.
Благодаря несимметричной форме корпуса такое ледокольное судно, развернувшись на 30 градусов к направлению движения, сможет очистить ото льда полосу шириной в 2,5 раза превышающую ширину ледокольного судна. Однако недостатки решений аналогов, связанные с затратами части мощности ледокола на преодоление сил «сухого трения», решение-прототип не устраняет.
Задачей заявленного изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно обеспечение повышения эффективности ледокольного судна при его эксплуатации во льдах.
Технический результат достигается включением новых узлов и иной связью между ними в ледокольном судне, содержащем охлаждающий его энергетическую установку контур и корпус с ледовым поясом, заключающихся в том, что в него дополнительно включены тепловые трубы и тепловой насос, содержащий заполненный хладагентом контур с последовательно включенными конденсатором, регулирующим вентилем, испарителем и компрессором, причем конденсатор своим входом обращен в сторону носа судна и выполнен в виде набора плоских коробов с тепловым экраном на одной своей плоскости, противоположная плоскость которого присоединена с внутренней стороны к корпусу судна вдоль его ледового пояса через внедренные в корпус судна тепловые трубы, при этом высота конденсатора соответствует высоте ледового пояса, длина короба конденсатора соответствует шпации корпуса, общая длина конденсатора соответствует длине ледового пояса, испаритель выполнен в виде теплообменника, с возможностью его включения противотоком в охлаждающий энергетическую установку контур.
Идея предложенного технического решения заключается в уменьшении силы сухого трения об лед ледового пояса судна за счет создания водной прослойки между льдом и ледовым поясом (в соотношении (1) уменьшается величина разности в скобках). Эта прослойка создается за счет повышения температуры внешней поверхности ледового пояса теплом от охлаждающего энергетическую установку контура. При этом энергия для функционирования теплового насоса может быть генерирована вспомогательными генераторами, обеспечивающими работу водооткачивающих, противопожарных и грузоподъемных средств, которые в штатных условиях движения судна во льдах не задействованы. Следует отметить, что зависимость величины силы трения стали об лед от температуры стали учитывается, в частности, в бобслее. Отклонение температуры полозьев бобов от температуры контрольного полоза не должно превышать 4°С. В противоположном случае экипаж боба дисквалифицируется.
Покажем существенность отличительных признаков.
Включение в состав ледокольного судна тепловых труб и теплового насоса, содержащего заполненный хладагентом контур с последовательно включенными конденсатором, регулирующим вентилем, испарителем и компрессором, является новым решением. Оно обеспечивает увеличение величины теплового потока от низкотемпературного охлаждающего энергетическую установку ледокольного судна контур к внешней поверхности ледового пояса. Это обеспечивается за счет большой теплопроводности тепловых труб и увеличением температуры внешней поверхности ледового пояса, превышающей температуру охлаждающего энергетическую установку ледокольного судна контур.
Выполнение конденсатора обращенным своим входом в сторону носа судна является новым решением. Оно обеспечивает наибольшее увеличение температуры внешней поверхности ледового пояса в месте наибольшей силы трения корпуса судна об лед при наиболее часто применяемом движении судна передним ходом.
Выполнение конденсатора в виде набора плоских коробов с тепловым экраном на одной своей плоскости, противоположная плоскость которого присоединена с внутренней стороны к корпусу судна вдоль его ледового пояса через внедренные в корпус судна тепловые трубы, является новым решением. Оно обеспечивает направление теплового потока от конденсатора в сторону внешней поверхности ледового пояса.
Выполнение испарителя в виде теплообменника с возможностью его включения противотоком в охлаждающий энергетическую установку контур является новым решением. Оно обеспечивает нагрев хладагента до наибольшей температуры перед входом в конденсатор.
Выполнение конденсатора высотой, соответствующей высоте ледового пояса, и длиной, соответствующей шпации корпуса и с общей длиной конденсатора, соответствующей длине ледового пояса, является новым решением. Оно обеспечивает установку конденсатора в корпусе ледокольного судна без нарушения прочности набора корпуса.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого ледокольного судна.
Ледокольное судно содержит:
1 - охлаждающий энергетическую установку ледокольного судна контур.
2 - корпус судна в районе его ледового пояса.
3 - шпангоут. Узлы 1-3 характеризуют прототип. Дополнительно к ним введены новые узлы и устройства.
4 - тепловые трубы. Они широко применяются в энергетике, машиностроении и в другой технике. Их особенностью является очень высокая способность теплопередачи. Если ее характеризовать коэффициентом теплопроводности, то у тепловых труб он в сотни раз выше, чем у меди [см. support17.com>component/content/447.html…].
5 - тепловой насос. Как устройство, обеспечивающее теплопередачу от низкотемпературной среды в среду с боле высокой температурой, широко применяется в кондиционерах и геотермальных установках [см. ru.wikipedia.org>Тепловой насос].
6 - заполненный хладагентом контур теплового насоса.
7 - конденсатор. Аналогом конденсатора может служить плоский радиатор отопления с теплозащитным покрытием на одной его стороне.
8 - регулирующий вентиль.
9 - испаритель. Аналогом испарителя может служить парогенератор ядерной энергетической установки.
10 - компрессор.
11 - тепловой экран конденсатора.
Предлагаемое ледокольное судно функционирует следующим образом. Проходя через испаритель, 9 хладагент контура теплового насоса 5 нагревается и испаряется за счет нагрева его водой в охлаждающем энергетическую установку ледокольного судна контуре 1. Образовавшийся пар хладагента сжимается компрессором 10, в результате чего его температура еще более повышается. При проходе горячего хладагента через конденсатор 7, осуществляется процесс теплопередачи через тепловые трубы 4 к наружной холодной поверхности корпуса судна в районе его ледового пояса 2 с нагревом последней. При этом хладагент конденсируется и через регулирующий вентиль 8 возвращается в испаритель 9. Повышение температуры наружной поверхности корпуса судна в районе ледового пояса 2 приводит к снижению силы сопротивления «сухого трения» как компоненты общего сопротивления судна при его движении во льдах. Этим обеспечивается повышения эффективности ледокольного судна при его эксплуатации во льдах (может быть увеличена скорость движения, или экономия топлива, или увеличена дальность плавания без дозаправки топливом, или возможность преодоления более толстого льда).
Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования схемы предложенного технического решения можно заключить, ледокольное судно, в котором реализовано данное решение, обладает преимуществами, отвечающими поставленной задаче, а именно обеспечение повышения эффективности ледокольного судна при его эксплуатации во льдах.