AIP潛艇液氧冷量利用研究

張 偉，周 睿，劉義軍

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

AIP潛艇液氧冷量利用研究

張 偉，周 睿，劉義軍

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

根據(jù)目前國外主流AIP潛艇均大量存儲(chǔ)液氧作為氧化劑的技術(shù)現(xiàn)狀，通過對(duì)液氧汽化過程中的冷量進(jìn)行分析和計(jì)算，指出液氧汽化時(shí)的冷量具有較高的利用價(jià)值，然后提出利用液氧進(jìn)行食品冷庫、空調(diào)制冷、海水制淡等利用方式，最后從軍事需求、利用效率、復(fù)雜程度等方面進(jìn)行比較，得出空調(diào)制冷流程具有最佳技術(shù)成熟度的結(jié)論。

通孔泡沫鋁;水下;聲學(xué)性能;流體飽和;粘度

0 引言

近年來，常規(guī)潛艇不依賴空氣推進(jìn)系統(tǒng) (AIP系統(tǒng))在國外發(fā)展迅速，其主要原因在于反潛探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)致常規(guī)潛艇的通氣管航態(tài)已基本成為暴露狀態(tài)，而常規(guī)潛艇在水下航行時(shí)的蓄電池所需的能量又只能通過通氣管航行充電來進(jìn)行補(bǔ)充這一矛盾日益突出。西方常規(guī)潛艇技術(shù)先進(jìn)的國家，如德國、瑞典、法國等基于本國國情和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分別提出了FC/AIP(燃料電池AIP)、SE/AIP(熱氣機(jī) AIP)、MESMA/AIP(閉式循環(huán)汽輪機(jī) AIP)的設(shè)想并付諸實(shí)施，分別研制了212級(jí)潛艇、“哥德蘭”級(jí)潛艇、“鲉魚”級(jí)潛艇等新型潛艇，成為目前世界常規(guī)潛艇市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品［3］。

西方目前的成熟AIP技術(shù)，其原動(dòng)機(jī)的工作原理各有不同，但是都有一個(gè)共同的技術(shù)特征是必須在潛艇上攜帶大量的液氧作為原動(dòng)機(jī)水下工作時(shí)的氧化劑。液氧的深低溫存儲(chǔ)特性保證了可在常規(guī)潛艇有限的艙室空間內(nèi)存儲(chǔ)較大量的氧化劑。液氧的溫度為－183℃，在汽化到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)將膨脹約800倍。AIP系統(tǒng)工作時(shí)，必須將液氧氣化成氣氧，才能保證原動(dòng)機(jī)的燃燒或電化學(xué)反應(yīng)所需的氧化劑供應(yīng)。在液氧汽化過程中，需要吸收大量的熱量，從而釋放出大量的可用冷能。這些冷能具有進(jìn)行冷能發(fā)電、空調(diào)制冷、食品保存等利用潛力。目前在民用領(lǐng)域，已出現(xiàn)了利用液化天然氣冷能進(jìn)行汽車空調(diào)制冷的新技術(shù)［1－2］。如能在AIP潛艇上有效利用這些冷能，可有效降低全船功耗以提高續(xù)航力。

1 液氧汽化過程中可用冷量的 分析

液氧汽化原理圖如圖1所示。其基本流程為首先對(duì)液氧儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓，然后待罐內(nèi)壓力達(dá)到要求后，將液氧輸入汽化器中，汽化器的汽化熱源為熱淡水，液氧在汽化器中完成汽化和壓力調(diào)整后，以氣相狀態(tài)供給原動(dòng)機(jī)燃燒所用。汽化器還具有自增壓能力，即將汽化器中汽化后的氣氧輸送回氧罐氣相空間以增加氧罐的壓力。

圖1 液氧汽化原理圖Fig.1 Schematic diagram of liquid oxygen vaporize

采用 分析的方法對(duì)液氧汽化過程的可用冷量進(jìn)行分析。狀態(tài)參數(shù) 就是在除環(huán)境介質(zhì)外無其他熱源的條件下，穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)從所處的狀態(tài)經(jīng)可逆途徑變化到與環(huán)境介質(zhì)處于熱力平衡狀態(tài)時(shí)，工質(zhì)所能作出的最大有用功［2］。對(duì)液氧汽化過程而言，其可用的冷量火用e可分為壓力p下由熱不平衡引起的低溫火用et和環(huán)境溫度下由力不平衡引起的壓力 ep，即

液氧在壓力p下由低溫Ts升高到T0過程中發(fā)生沸騰相變。設(shè)液氧在溫度Ts時(shí)為處于平衡狀態(tài)的兩相物質(zhì)，汽化潛熱為r，相應(yīng)潛熱 為(－1)r，再加上從Ts升溫到T0過程中氣體吸熱的顯熱 ，則低溫 et可用式(2)表示，即

式中：r為液氧汽化潛熱;Cp為氧氣定壓比熱。

壓力 ep用式(3)計(jì)算，

由于液氧在汽化器中的汽化和膨脹過程中，與管路系統(tǒng)中上游的液氧罐和下游的發(fā)動(dòng)機(jī)供氣管路直接相連，可認(rèn)為汽化過程中壓力保持恒定，與氧罐內(nèi)壓力相同，故壓力 ep為0，而實(shí)際可用的冷量 e=et。

根據(jù)液氧汽化流程的特點(diǎn)，從式(2)中可見對(duì)冷量 影響最主要的因素應(yīng)為熱源溫度。

對(duì)式(2)，由于在從Ts升溫到T0過程中，定壓比熱是變化值，為計(jì)算方便，引入平均定壓比熱的概念［1］。

氧氣的分子量μ=32，其定值摩爾比熱值μcp=7 ×4.1868［1］，其平均定壓比熱按式(4)計(jì)算

在代入液氧的汽化潛熱值r=213 kJ/kg［6］，可對(duì)式(2)進(jìn)行求解，并繪出液氧的 圖見圖2。

圖2 液氧 圖Fig.2 Diagram of liquid oxygen exergy

從圖中可以看出，液氧冷量的可用能是較大的。氣化溫度Ts=90 K，環(huán)境溫度T0=280 K，單位質(zhì)量液氧的最大可用能et=500 kJ/kg，如果液氧流量為250 kg/h，其理論可用功率可達(dá)34 kW。這對(duì)于AIP潛艇而言相當(dāng)可觀。同時(shí)還可以看出，環(huán)境溫度T0越高，相應(yīng)的液氧冷量的可用能也較大。

2 冷量利用方式探討

2.1 冷能回收用于潛艇冷庫

目前，常規(guī)潛艇的冷庫均采用多極壓縮制冷裝置維持冷庫低溫，耗電量較大［4］。而對(duì)于AIP潛艇而言，可通過將液氧與冷媒在低溫?fù)Q熱器中進(jìn)行熱交換，冷卻后的冷媒經(jīng)管道進(jìn)入冷庫，通過盤管釋放冷量，實(shí)現(xiàn)對(duì)食品的冷凍冷藏。

利用液氧的冷庫流程，根據(jù)冷媒是否發(fā)生相變，可分為冷媒發(fā)生相變的流程和無相變流程。

2.1.1 冷媒無相變的冷庫流程

冷媒在整個(gè)運(yùn)行過程中無相變，可考慮按照溫度從低到高串聯(lián)，使得冷媒逐漸通過釋放冷量，實(shí)現(xiàn)冷媒的串聯(lián)化運(yùn)行，充分利用液氧的冷能，也實(shí)現(xiàn)了冷媒冷量的梯級(jí)利用，特別適用于具有冷藏、冷凍功能分開的梯級(jí)冷庫。

圖3 無相變冷庫流程圖Fig.3 Schematic diagram of refrigeratory without phase transition

具體流程是冷媒在液氧－冷媒換熱器中獲得冷量后，通過自增壓方式或泵送方式進(jìn)入溫度最低的低溫冷凍庫換熱器中釋放一定冷量，冷媒溫度也相應(yīng)升高;接著進(jìn)入溫度較低的次低溫冷庫換熱器，釋放冷量并升溫;最后進(jìn)入較高溫冷庫換熱。

無相變流程特點(diǎn)是流程和設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但是冷媒僅靠顯熱來攜帶冷量，缺少了汽化潛熱的冷量，如果需要加大冷量，只能通過增加冷媒的流量來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致流程中冷媒流量較大。

2.1.2 冷媒相變的冷庫流程

冷媒發(fā)生相變的流程，單位質(zhì)量的冷媒冷量較大，相應(yīng)需要的冷媒流量就較小。對(duì)于有冷藏、冷凍等不同需求的冷庫來說，由于要求的冷媒蒸發(fā)溫度不同，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力亦不同，如果采用類似2.1.1中的串聯(lián)流程，則會(huì)帶來各冷庫壓力控制不均衡的問題，無法保證各個(gè)換熱器中實(shí)際的運(yùn)行壓力均保持在蒸發(fā)壓力，從而出現(xiàn)某些換熱器中冷媒是全液態(tài)或氣態(tài)的情況。

在此，考慮采用并聯(lián)流程，即將溫度要求不同的多個(gè)冷庫換熱器并聯(lián)，通過節(jié)流閥或調(diào)壓閥控制不同冷庫的蒸發(fā)壓力需求，其并聯(lián)流程圖如圖4所示。

圖4 相變冷庫流程圖Fig.4 Schematic diagram of refrigeratory with phase transition

如圖4所示，較高溫冷庫的換熱器蒸發(fā)溫度最高，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力也最高，可不配置節(jié)流閥，直接作為蒸發(fā)起始段壓力;次低溫冷庫蒸發(fā)壓力較低，則用節(jié)流閥節(jié)流降壓到所需的壓力;低溫冷庫的蒸發(fā)溫度和壓力最低，相應(yīng)采用閥節(jié)流降壓后作為并聯(lián)末端的壓力。為保證3種冷庫出口側(cè)壓力相等，在次低溫冷庫和較高溫冷庫設(shè)置節(jié)流閥。

采用相變方案的冷庫流程，冷媒流量小，但是設(shè)備和控制較復(fù)雜，發(fā)生相變后，其氣相部分體積較大，導(dǎo)致氣態(tài)管路的直徑和相應(yīng)換熱器尺寸也較大，不利于艙室布置。

2.2 液氧冷能回收用于潛艇空調(diào)制冷

利用液氧冷能進(jìn)行空調(diào)制冷基本原理與冷庫類似，即采用中間冷媒和液氧換熱，冷媒獲得冷量，溫度降低，再使用冷媒和空調(diào)換熱器換熱，以達(dá)到空調(diào)制冷。

采用本方案進(jìn)行制冷，制冷功率的大小取決于液氧的汽化量，而汽化量取決于AIP裝置的消耗量，從目前國際上潛艇AIP動(dòng)力裝置配置情況看，制冷功率可能不足以滿足全艇的制冷空調(diào)需求，若要加以利用可采取分區(qū)空調(diào)的形式。

以水作為中間冷媒的流程圖如圖5所示。其具體過程是：液氧經(jīng)自增壓或泵送方式輸入到汽化器中，與來自潛艇空調(diào)的循環(huán)水進(jìn)行熱交換后變成氣態(tài)，然后氣氧輸送給AIP裝置工作所需。而經(jīng)過冷卻后的循環(huán)水溫度下降至5℃ ～7℃后，經(jīng)空調(diào)冷水泵組泵送至空調(diào)換熱器中進(jìn)行熱交換，降低潛艇艙內(nèi)空氣溫度，達(dá)到制冷目的。

圖5 換熱空調(diào)流程圖Fig.5 Schematic diagram of air-condition

2.3 冷能用于潛艇海水制淡

液氧冷能用于潛艇的海水制淡，屬于冷凍法海水淡化的一種。其原理是：海水部分凍結(jié)時(shí)，鹽分富集于未凍結(jié)的海水中，而凍結(jié)形成的冰中的含鹽量大幅降低，通過將冰晶進(jìn)行洗滌、分離、溶化后可得到淡水，冷量換算為制淡量約2 t/h，對(duì)于常規(guī)潛艇來說相當(dāng)可觀。

具體到使用液氧的冷量進(jìn)行制淡，其流程圖如圖6所示。具體流程如下：原料海水首先經(jīng)過換熱器進(jìn)行預(yù)冷;之后進(jìn)入結(jié)晶器，與2次冷媒進(jìn)行間接換熱，形成冰;形成的冰進(jìn)入儲(chǔ)冰罐后，經(jīng)洗滌、溶化后進(jìn)入儲(chǔ)水罐，儲(chǔ)水罐有少部分淡水作為洗滌水回到儲(chǔ)冰罐，其余部分作為產(chǎn)品經(jīng)換熱器后進(jìn)入潛艇淡水柜，供艇員作洗滌水使用;而2次冷媒在汽化器中與液氧進(jìn)行交換并吸收冷量。

圖6 液氧冷量制淡流程Fig.6 Schematic diagram of fresh-water production with liquid oxygen's cold energy

2.4 幾種液氧冷量利用方式比較

根據(jù)前文提到的幾種在常規(guī)潛艇上具有應(yīng)用前景的冷量利用方式分析，結(jié)合目前國外AIP潛艇在戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的使用模式［5］，從需求迫切性、流程復(fù)雜性、安全性、冷量利用效率等方面進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 幾種液氧冷量利用方式比較Tab.1 Contrast of liquid oxygen's cold engine using methods

根據(jù)表1所示，綜合考慮，目前采用液氧進(jìn)行空調(diào)制冷具有較強(qiáng)烈的軍事需求，同時(shí)安全性和實(shí)現(xiàn)可能性均較高。

3 結(jié)語

本文根據(jù)目前國外主流AIP潛艇均大量存儲(chǔ)液氧作為氧化劑的技術(shù)現(xiàn)狀，通過對(duì)液氧汽化過程中的冷量進(jìn)行 分析和計(jì)算，指出液氧汽化時(shí)的冷量具有較高的利用價(jià)值，然后提出利用液氧進(jìn)行食品冷庫、空調(diào)制冷、海水制淡等利用方式，最后從軍事需求、利用效率、復(fù)雜程度等方面進(jìn)行了比較，得出空調(diào)制冷流程具有最佳的技術(shù)成熟度的結(jié)論。

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Discuss of AIP submarine liquid oxygen's cold energy using methods

ZHANG Wei，ZHOU Rui，LIU Yi-jun
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

According to the fact that western conutry's AIP submarines must storage a great deal of liquid oxygen as oxidant，the paper calculate the cold energy that were released from the process of liquid oxygen's vaporizing and point out the energy has a great value to be used．Then the paper advanced that the cold energy of liquid oxygen can be used in refrigeratory，air-condition，fresh-water production．The usage of air－condition have the maxium possibility in submarine．

AIP submarine;liquid oxygen;cold energy

TK91

A

1672－7649(2014)06－0138－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.028

2013－05－28;

2013－06－27

張偉 (1977－)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力裝置。