Ενεργειακά συστήματα πλοίου
Περιγραφή:
Τα Ενεργειακά Συστήματα Πλοίου είναι ένα από τα μαθήματα κορμού της Ναυτικής Μηχανολογίας στη Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ και έχει ως αντικείμενο τις ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις πλοίων και όλα τα συστήματα παραγωγής μηχανικής, ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος, εκτός των κινητήρων Diesel, οι οποίοι αποτελούν αντικείμενο χωριστού μαθήματος. Η πλήρης κάλυψη όλων αυτών των αντικειμένων θα απαιτούσε ένα τεύχος για το καθένα από αυτά. Όμως, ο περιορισμένος χρόνος ενός ακαδημαϊκού εξαμήνου θα έκανε πρακτικά δύσκολη έως αδύνατη τη μελέτη τους. Έτσι, στο βιβλίο αυτό επιχειρείται μια σύντομη παρουσίαση, η οποία στηρίζεται στο ότι αρκετές από τις γνώσεις που είναι απαραίτητες για την κατανόηση της ύλης, έχουν αποκτηθεί σε προηγούμενα υποχρεωτικά μαθήματα του κύκλου σπουδών, όπως π.χ. Ηλεκτροτεχνία, Ηλεκτροτεχνικές Εφαρμογές και Ηλεκτρολογικό Εργαστήριο, Εφαρμοσμένη Θερμοδυναμική, Μηχανική Ρευστών, Μεταφορά Θερμότητας. Για κάθε αντικείμενο παρατίθεται σχετική βιβλιογραφία, η μελέτη της οποίας είναι απαραίτητη για μια πληρέστερη και βαθύτερη γνώση του. Το βιβλίο αποτελείται από δύο μέρη: στο Μέρος Αʹ παρουσιάζονται οι Ηλεκτρολογικές Εγκαταστάσεις Πλοίων, ενώ το Μέρος Βʹ περιλαμβάνει τα υπόλοιπα από τα προαναφερόμενα αντικείμενα. Στο Εισαγωγικό 1ο Κεφάλαιο του Αʹ Μέρους παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικότερες από τις απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν οι ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις πλοίων, οι τυποποιημένες συχνότητες και τάσεις ηλεκτρικού ρεύματος, και οι κυριότερες κλάσεις (από πλευράς μόνωσης και θερμικής αντοχής) ηλεκτρικών μηχανών, που εγκαθίστανται στα πλοία. Ακολουθεί, στο 2ο Κεφάλαιο, η παρουσίαση της μεθοδολογίας για την προκαταρκτική εκτίμηση του ηλεκτρικού φορτίου πλοίου και τον λεπτομερή ηλεκτρικό ισολογισμό, όχι μόνον ως προς την ενεργό αλλά και ως προς την άεργο ισχύ. Δίνονται επίσης βασικές οδηγίες για τον προσδιορισμό του αριθμού και της ονομαστικής ισχύος των κύριων γεννητριών, καθώς και της ισχύος της γεννήτριας ανάγκης. Το 3ο Κεφάλαιο περιγράφει τον τρόπο προσδιορισμού της διατομής των αγωγών και των ζυγών των πινάκων, και δίνει τα τυποποιημένα, ως προς την ένταση, μεγέθη καλωδίων, ασφαλειών και διακοπτών. Επίσης, περιλαμβάνονται ενδεικτικά ηλεκτρολογικά διαγράμματα πλοίων με συμβατική και ηλεκτρική πρόωση, καθώς και πίνακας συμβόλων που χρησιμοποιούνται σε σχέδια ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων. Αντικείμενο του 4ου Κεφαλαίου είναι οι γεννήτριες εναλλασσομένου ρεύματος (εναλλακτήρες). Παρουσιάζονται οι γενικές αρχές και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, οι μηχανισμοί ελέγχου της ροής ενέργειας, ο τρόπος ρύθμισης της τάσης και της ταχύτητας περιστροφής, και επομένως της συχνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος. Αναφέρονται επίσης οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται, προκειμένου να είναι δυνατή και ασφαλής η παράλληλη λειτουργία εναλλακτήρων, και περιγράφεται ο τρόπος παραλληλισμού και κατανομής φορτίου. Με τη συνεχή εξάπλωση των ηλεκτρικών δικτύων στα πλοία, οι κίνδυνοι βραχυκυκλωμάτων αυξάνονται. Για τον λόγο αυτόν, θεωρήθηκε σκόπιμη η παρουσίαση των σχετικών προβλημάτων, οι τύποι των βραχυκυκλωμάτων, η διαδικασία μελέτης και οι τρόποι προστασίας του δικτύου και των μηχανών έναντι βραχυκυκλωμάτων (5ο Κεφάλαιο). Ένα αριθμητικό παράδειγμα βοηθά στην καλύτερη κατανόηση του αντικειμένου. Η ηλεκτρική πρόωση αναπτύσσεται και εφαρμόζεται σε διάφορους τύπους πλοίων χάρη σε ορισμένα πλεονεκτήματα. Στο 6ο Κεφάλαιο, περιγράφονται οι γενικές αρχές πρόωσης με συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα, οι τεχνικές και τα μέσα ελέγχου των κινητήρων πρόωσης, οι σύγχρονες εξελίξεις στην ηλεκτρική πρόωση, θέματα συνεργασίας έλικας–κινητήρα, η αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικής πρόωσης και ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος, καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της ηλεκτρικής πρόωσης. Το Αʹ Μέρος κλείνει με εκτενή βιβλιογραφία, για ευρύτερη και βαθύτερη μελέτη των διαφόρων θεμάτων γύρω από τις ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις πλοίων.
Το Βʹ Μέρος αρχίζει με τα συστήματα ατμού κυρίως για πρόωση με ατμοστρόβιλο, αλλά και για κάλυψη αναγκών σε θερμική ενέργεια. Ίσως αναρωτηθεί ο αναγνώστης: πρόωση με ατμό σήμερα, με την τόση εξέλιξη και εξάπλωση των κινητήρων Diesel; Το 7ο Κεφάλαιο, που περιλαμβάνει εισαγωγή και ιστορική εξέλιξη των συστημάτων αυτών, απαντά στο ερώτημα γιατί αξίζει να ασχοληθούμε και με τα συστήματα αυτά. Στο 8ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται διαγράμματα ροής και ενεργειακού ισολογισμού της όλης εγκατάστασης, ώστε ο αναγνώστης να αποκτήσει μια κατά το δυνατόν πλήρη εικόνα του συστήματος, και περιγράφονται με συντομία τα κυριότερα μηχανήματα και ορισμένες συσκευές. Στο 9ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται μια μέθοδος για τη θερμοδυναμική ανάλυση των επιμέρους στοιχείων και του όλου συστήματος ατμού, με σκοπό τον προσδιορισμό των βαθμών απόδοσης, των διαφόρων καταναλώσεων ατμού και, τελικά, της κατανάλωσης καυσίμου. Στο 10ο Κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικότερα οι κύριοι και βοηθητικοί ναυτικοί ατμολέβητες, παρουσιάζονται θέματα σχετικά με τη λειτουργία, τη συντήρηση και τον αυτόματο έλεγχο αυτών, και αναφέρονται ενδεχόμενα προβλήματα και οι τρόποι με τους οποίους αυτά αντιμετωπίζονται. Αντικείμενο του 11ου Κεφαλαίου είναι οι ναυτικοί ατμοστρόβιλοι: η περιγραφή των βασικών τύπων και διατάξεων, η μελέτη βαθμίδων, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, τα στοιχεία μηχανικής καταπόνησης, η ρύθμιση ισχύος και η συμπεριφορά σε μεταβαλλόμενα φορτία. Στο σημείο αυτό, τελειώνει η ενασχόληση με τα συστήματα ατμού. Στο 12ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ναυτικοί αεριοστρόβιλοι. Περιγράφονται οι τύποι και οι διατάξεις αεριοστροβίλων, παρουσιάζεται η πορεία για μια έστω και προσεγγιστική θερμοδυναμική ανάλυση, περιγράφονται οι χαρακτηριστικές και το πεδίο λειτουργίας, εξηγείται η επίδραση των συνθηκών περιβάλλοντος στις επιδόσεις των αεριοστροβίλων, περιγράφεται η συμπεριφορά σε μερικό φορτίο, αναφέρονται ορισμένες ιδιαιτερότητες σχεδιασμού, εγκατάστασης και λειτουργίας στο πλοίο, και δίνονται στοιχεία για τις εκπομπές ρύπων.
Οι πρόσφατες εξελίξεις στις κυψέλες καυσίμου έφεραν τις συσκευές αυτές και στα πλοία, έστω και σε μικρή, προς το παρόν, κλίμακα. Θα ήταν, λοιπόν, παράλειψη εάν δέν συμπεριλαμβάνονταν και πληροφορίες για τις ενδιαφέρουσες αυτές συσκευές. Στο 13ο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται η βασική αρχή λειτουργίας, περιγράφονται οι τύποι κυψελών καυσίμου, αναφέρεται ο τρόπος υπολογισμού της ηλεκτρικής τάσης και του βαθμού απόδοσης, δίνονται ορισμένα χαρακτηριστικά της σύγχρονης τεχνολογίας, αναφέρονται τα καύσιμα που είναι κατάλληλα για κυψέλες καυσίμου, καθώς και θέματα σχετικά με την παραγωγή και την αποθήκευσή τους, και περιγράφονται συστήματα που περιλαμβάνουν κυψέλες καυσίμου. Μία ακόμη ενδιαφέρουσα τεχνική είναι η μαγνητοϋδροδυναμική (ΜΥΔ) μετατροπή ενέργειας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για ηλεκτροπαραγωγή, είτε απευθείας για πρόωση. Αν και μέχρι σήμερα έχει μείνει στο πειραματικό στάδιο, θεωρήθηκε σκόπιμη μια σύντομη παρουσίασή της στο 14ο Κεφάλαιο: βασικές αρχές, τύποι ΜΥΔ πρόωσης, βασική πορεία αναλυτικής μελέτης συστήματος ΜΥΔ πρόωσης, σύστημα πειραματικού ιαπωνικού σκάφους, μελλοντικοί στόχοι έρευνας και ανάπτυξης. Εκτενής βιβλιογραφία στα επιμέρους αντικείμενα του Β´ Μέρους συμπληρώνει τις σχετικές γνώσεις και πληροφορίες. Το βιβλίο εμπλουτίζεται με πολλά σχήματα, πολλά από τα οποία έχουν παρθεί απευθείας από τη βιβλιογραφία, όπως δείχνουν και οι σχετικές παραπομπές. Οι ξενόγλωσσοι όροι δέν αντικαταστάθηκαν από ελληνικούς, κυρίως για να αποτελέσουν αφορμή για εξοικείωση με την ξένη (κυρίως αγγλική) ορολογία, η οποία είναι τόσο απαραίτητη στην καθημερινή επαγγελματική δραστηριότητα του σύγχρονου μηχανικού. Προς τον σκοπό αυτόν, βοηθούν το αγγλοελληνικό και ελληνοαγγλικό λεξιλόγιο επιλεγμένων τεχνικών όρων, τα οποία περιλαμβάνονται στο τέλος του βιβλίου.
Εκφράζουμε τις θερμές μας ευχαριστίες προς ανθρώπους που βοήθησαν ώστε το βιβλίο αυτό να πάρει τη σημερινή του μορφή. Πρώτα-πρώτα, τον Ομότιμο Καθηγητή Ιωάννη Ιωαννίδη για το πολύτιμο υλικό που έθεσε στη διάθεσή μας, τα σχόλια σε ορισμένα κεφάλαια προηγούμενων εκδόσεων (από το ΕΜΠ) και την πολύτιμη βοήθεια που μας προσέφερε σε όλη τη διάρκεια της θητείας μας στη Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών· τον Ομότιμο Καθηγητή Κυριάκο Παπαηλιού και τους Καθηγητές Κυριάκο Γιαννάκογλου και Κωνσταντίνο Μαθιουδάκη για τα βιβλία τους που μας έδωσαν και για την προθυμία τους να απαντήσουν σε ερωτήσεις σχετικές με αεριοστροβίλους και ατμοστροβίλους· τους προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς σπουδαστές, αποτελέσματα της συνεργασίας των οποίων έχουν εμπλουτίσει το υλικό που παρουσιάζεται εδώ (δεν αναφέρονται ονόματα, ώστε να αποφευχθεί αθέλητη παράλειψη)· την κα. Καρολίνα Τακτικού για τη φιλολογική επιμέλεια προηγούμενης έκδοσης του Μέρους Βʹ (από το ΕΜΠ), η οποία επηρεάζει θετικά και την τωρινή. Ευχαριστούμε επίσης τον εκδοτικό οίκο da Vinci και το προσωπικό του, που έκαναν τεχνικά και οικονομικά δυνατή την έκδοση και ευρύτερη κυκλοφορία του βιβλίου
