溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組在水下航行器中的性能研究

中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都 610213

水下航行器內(nèi)人員多、設(shè)備組成復(fù)雜，是一個高溫高濕的密閉環(huán)境[1]。以水下航行器機(jī)艙為例，其溫度一般在40 ℃左右，局部環(huán)境溫度45～50 ℃，極限溫度可到60 ℃，并且由于設(shè)備和人員散濕，局部相對濕度高達(dá)80%。為了保證水下航行器內(nèi)人員的健康和設(shè)備的正常運行，各國對水下航行器各艙內(nèi)空氣的溫濕度均進(jìn)行了規(guī)定。以美國為例，在居住艙各部位的濕度不受限制時，溫度不超過25 ℃；相對濕度為50%時，溫度限值為30 ℃。動力裝置艙在濕度不受限制時，溫度限值為33.8 ℃；而非居住部位的溫度可達(dá)57 ℃[2]。我國對水下航行器空調(diào)艙室的溫濕度也進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定：對于特殊動力，夏季艙室最高溫度應(yīng)不高于29 ℃，相對濕度應(yīng)不大于60%；對于常規(guī)動力，夏季艙室最高溫度應(yīng)不高于30 ℃，相對濕度應(yīng)不大于70%[3]。

為控制水下航行器內(nèi)溫濕度，常規(guī)動力水下航行器的空調(diào)裝置(包括冷水機(jī)組、空調(diào)器等)耗電量較大，其水下航行時所有機(jī)電設(shè)備的能源都來自蓄電池，而空調(diào)裝置是其水下航行時必須連續(xù)工作的耗電大戶[4]。據(jù)研究，我國常規(guī)動力水下航行器運行時，其空調(diào)裝置用電量約占動力消耗的37%以上[5]，有時甚至高達(dá)70%，這直接影響到水下航行器的續(xù)航能力[6]。而對于特殊動力水下航行器而言，目前尚無相關(guān)研究，但考慮到冷水機(jī)組在空調(diào)裝置中的耗能占比較大，因此對特殊動力水下航行器的冷水機(jī)組進(jìn)行耗能研究，可以在一定程度上預(yù)估空調(diào)裝置對特殊動力水下航行器續(xù)航能力的影響。

目前水下航行器空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)組分為以下3 種：直接冷卻式氟利昂制冷機(jī)組、間接冷卻式氟利昂冷水機(jī)組和間接冷卻式溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組[7]。直接冷卻式氟利昂冷水機(jī)組以氟利昂為制冷劑和冷媒，制冷量一般較小，設(shè)備體積小，適用于水下航行器局部區(qū)域和部分房間的空氣調(diào)節(jié)。間接冷卻式氟利昂冷水機(jī)組以氟利昂為制冷劑，以冷水為冷媒，制冷量一般較大，設(shè)備體積大，適用于水下航行器集中空氣調(diào)節(jié)。美國海軍現(xiàn)役水下航行器“海狼”(SSN-21)號即采用間接冷卻式氟利昂冷水機(jī)組[8]。間接冷卻式溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組利用吸收式制冷原理，以溴化鋰水溶液為制冷工質(zhì)，水是制冷劑，溴化鋰溶液是吸收劑，需要熱源對溴化鋰水溶液進(jìn)行加熱，適用于有余熱可供利用的環(huán)境，并且由于其振動噪聲小[9]、運行穩(wěn)定性高、維護(hù)成本低等優(yōu)勢[10?11]，適合在特殊動力水下航行器中使用[12]。

本文對溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組在水下航行器中的性能展開研究，首先對溴化鋰吸收式冷水機(jī)組各設(shè)備進(jìn)行建模，利用MATLAB 進(jìn)行編程求解，并通過實驗驗證模型的準(zhǔn)確性，然后利用模型對溴化鋰吸收式冷水機(jī)組進(jìn)行性能分析，最后通過將其應(yīng)用于某一水下航行器，對冷水機(jī)組耗能進(jìn)行定量計算。

1 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組模型建立

與常規(guī)應(yīng)用的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組相比，在水下航行器中應(yīng)用時，其工作原理和主要換熱設(shè)備均不變。但是由于水下航行器存在搖擺，其發(fā)生器、蒸發(fā)器和吸收器的設(shè)計應(yīng)該考慮到液位晃動的影響，并且由于其熱源為二回路乏汽，因此其熱源溫度一般不高。

本文中溴化鋰吸收式冷水機(jī)組由二回路乏汽系統(tǒng)供蒸汽驅(qū)動，蒸發(fā)器提供所需冷量，吸收器和冷凝器的熱量由二回路海水冷卻系統(tǒng)排出，乏汽系統(tǒng)正常工作溫度為120～265 ℃，乏汽系統(tǒng)正常工作壓力為0.3±0.2 MPa。

1.1 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組流程

溴化鋰吸收式冷水機(jī)組流程如圖1 所示。

圖1 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組流程

1.2 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組模型假設(shè)

對模型做出假設(shè)如下[13?16]：

1)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)；

2)低壓發(fā)生器壓力等于冷凝壓力；

3)除熱交換器外，所有換熱設(shè)備出口均為飽和狀態(tài)；

4)系統(tǒng)不向環(huán)境散熱；

5)系統(tǒng)無電耗。

1.3 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組控制方程

根據(jù)溴化鋰吸收式冷水機(jī)組流程圖，結(jié)合模型假設(shè)，列出模型控制方程。

1)蒸發(fā)器

式中D為冷劑蒸汽量，kg/s。

傳熱系數(shù)K0為[17]

2)吸收器

式中：a為溶液循環(huán)倍率；x為溴化鋰溶液質(zhì)量濃度，%。

3)冷凝器

式中y為高壓發(fā)生器蒸汽產(chǎn)生比例，%。

4)低溫?zé)峤粨Q器

5)高溫?zé)峤粨Q器

6)低壓發(fā)生器

7)高壓發(fā)生器

1.4 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組模型求解

模型求解過程主要是平衡各個換熱設(shè)備的換熱量，求解流程如圖2 所示，利用MATLAB 中的lsqnonlin 函數(shù)[18]進(jìn)行編程求解。

圖2 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組數(shù)學(xué)模型流程

2 實測驗證及性能分析

為驗證本文所建立的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，通過對某一溴化鋰吸收式冷水機(jī)組進(jìn)行實測，得到實測結(jié)果，并通過實測結(jié)果和模擬結(jié)果的對比，驗證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，利用模型對機(jī)組性能展開分析。

2.1 數(shù)學(xué)模型驗證

實測機(jī)組額定制冷量為230 kW，熱源溫度設(shè)計范圍為120～200 ℃，測試環(huán)境采用溫濕度獨立控制，因此冷凍水進(jìn)出口設(shè)計溫度為15/20 ℃，冷卻水進(jìn)出口設(shè)計溫度為30/35 ℃，冷凍水設(shè)計流量為40 m3/h，冷卻水設(shè)計流量為57 m3/h。實測對比結(jié)果如圖3 所示。模擬得到的溴化鋰吸收式冷水機(jī)組制冷COP 與實測COP 的最大相對誤差為2.94%，可以認(rèn)為該模型可用于預(yù)測溴化鋰吸收式冷水機(jī)組性能。

圖3 溴化鋰吸收式冷水機(jī)組模擬與實測結(jié)果對比

2.2 性能分析

本節(jié)利用1 節(jié)中的數(shù)學(xué)模型，對溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的性能展開分析，分析結(jié)果見圖4～8，分析過程采用單一變量法，各參數(shù)基準(zhǔn)值如下：熱源溫度165 ℃，冷凍水進(jìn)口溫度13 ℃，冷卻水流量13 kg/s，冷卻水進(jìn)口溫度30 ℃，冷凍水流量8 kg/s，制冷量需求為170 kW。

圖4 熱源溫度對機(jī)組COP 的影響

圖5 冷凍水進(jìn)口溫度對機(jī)組COP 的影響

圖6 冷凍水流量對機(jī)組COP 的影響

圖7 冷卻水進(jìn)口溫度對機(jī)組COP 的影響

圖8 冷卻水流量對機(jī)組COP 的影響

通過分析可知熱源溫度、冷卻水進(jìn)口溫度以及冷凍水進(jìn)口溫度3 個外部參數(shù)對于冷水機(jī)組的COP 影響較大。

3 耗能計算分析

通過模型建立、求解和實測驗證，前文對溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組的性能進(jìn)行了分析，后文根據(jù)具體應(yīng)用場景即可計算其耗能。

3.1 水下航行器運行工況

本文冷水機(jī)組中空調(diào)冷水均采用間接冷卻方式，由冷水機(jī)組蒸發(fā)器降溫，與此同時，海水冷卻系統(tǒng)將海水源源不斷地流過冷水機(jī)組冷凝器，帶走制冷劑冷凝熱量。

以某特殊動力水下航行器為例，其冷負(fù)荷為1 000 kW，熱源正常工作溫度為170 ℃，冷凍水出口溫度為7 ℃，進(jìn)口溫度為12 ℃。世界大洋的水溫大體上隨深度的增加呈不均勻遞減，一般分為混合層、溫躍層和深水層，并且不同緯度的溫度鉛直分布不同[19?20]。我國南海表層水平均厚度約為50 m，滿足水下航行器的安全深度要求。表層水溫度變化范圍為23～28 ℃，其中北部23～25 ℃、中部26～27 ℃、南部27～28 ℃?？紤]到水下航行器任務(wù)的隨機(jī)性，并且南海水溫隨深度的增加遞減，為使其在高溫海區(qū)全動力航行時冷水機(jī)組可滿足其要求，海水溫度定為30 ℃，也即冷卻水進(jìn)口溫度為30 ℃。從而得到冷水機(jī)組運行工況如表1 所示。

表1 水下航行器冷水機(jī)組運行工況

3.2 耗能計算分析

1)設(shè)計計算

根據(jù)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組設(shè)計計算[12]，初步確定機(jī)組設(shè)計參數(shù)，再通過溴化鋰吸收式冷水機(jī)組優(yōu)化設(shè)計，對其初投資和機(jī)組COP 進(jìn)行優(yōu)選，使其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最佳，從而得到最終設(shè)計參數(shù)。

冷水機(jī)組初步設(shè)計計算結(jié)果如表2 所示。

表2 冷水機(jī)組初步設(shè)計計算結(jié)果

2)設(shè)計優(yōu)化

由于溴化鋰吸收式冷水機(jī)組初投資主要包括銅管和鋼板2 種原材料及其加工費用，而機(jī)組內(nèi)鋼板使用量相對銅管較少，且鋼板價格較為便宜，為了簡化計算，在溴化鋰吸收式冷水機(jī)組優(yōu)化分析時，機(jī)組初投資主要考慮銅管原材料及其加工費用[15]。而銅管原材料和加工費用均與銅管面積直接相關(guān)，因此假設(shè)機(jī)組初投資與機(jī)組總換熱面積成正比。

為使其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最佳，也即對其初投資和機(jī)組COP 進(jìn)行優(yōu)選，本節(jié)在滿足負(fù)荷需求的前提下，以機(jī)組COP 為目標(biāo)函數(shù)，對機(jī)組各設(shè)備換熱面積進(jìn)行優(yōu)選，通過正交優(yōu)化設(shè)計，得到最終設(shè)計參數(shù)。

根據(jù)初步設(shè)計計算結(jié)果，確定機(jī)組各設(shè)備換熱面積正交優(yōu)化設(shè)計的因素水平為：

F_hg：高壓發(fā)生器換熱面積，3 個水平，41、46、51 m2；

F_lg：低壓發(fā)生器換熱面積，3 個水平，51、56、61 m2；

F_e：蒸發(fā)器換熱面積，3 個水平，116、121、126 m2；

F_c：冷凝器換熱面積，3 個水平，29、34、39 m2；

F_hex：高溫?zé)峤粨Q器換熱面積，3 個水平，36、41、46 m2；

F_lex：低溫?zé)峤粨Q器換熱面積，3 個水平，16、21、26 m2；

F_a：吸收器換熱面積，3 個水平，95、100、105 m2。

確定吸收式機(jī)組各設(shè)備換熱面積優(yōu)化設(shè)計正交表見表3。

表3 機(jī)組各設(shè)備換熱面積優(yōu)化設(shè)計正交表 m2

各組合總的換熱面積、相對初投資(以設(shè)計計算初投資為基數(shù))以及計算結(jié)果見表4。

表4 各組合計算結(jié)果

可以看出，最優(yōu)解為組合5，此時相對初投資值為1，即組合5 的初投資相較于設(shè)計計算的初投資不變，但其效率有所升高。從而得到機(jī)組最終設(shè)計參數(shù)如表5。

表5 冷水機(jī)組最終設(shè)計計算結(jié)果

3)耗能分析

根據(jù)水下航行器運行過程中的實際狀況，其冷凍水流量為170 m3/h，冷卻水流量為300 m3/h，計算得到冷水機(jī)組COP 為1.29，冷水機(jī)組蒸汽耗能為777.2 kW，蒸汽耗量為0.380 kg/s，單位冷量蒸汽耗量為1.366 kg/kW·h。

對于船用特殊動力，蒸汽發(fā)生器多用熱效率偏高的管內(nèi)直流式，以熱功率為125 MW 的水下航行器為例，其二回路蒸汽的質(zhì)量流量為62.5 kg/s[21]。而針對本文的特殊動力水下航行器，其熱功率為140 MW，二回路蒸汽的壓力和溫度與125 MW 的相同，因此計算得到本文水下航行器二回路蒸汽流量為70 kg/s，其中溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組所耗蒸汽占比不到0.6%。對于水下航行器的續(xù)航能力基本無影響。

4 結(jié)論

本文利用lsqnonlin 函數(shù)進(jìn)行約束非線性最小求解，對溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組在水下航行器中的性能展開研究，得出了以下結(jié)論：

1)建立溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，對溴化鋰吸收式冷水機(jī)組進(jìn)行實地測試。利用測試結(jié)果對模型進(jìn)行驗證，其中機(jī)組測試COP 為1.07～1.38，模型計算COP 最大相對誤差為2.94%，可以認(rèn)為該模型可用于預(yù)測溴化鋰吸收式冷水機(jī)組性能。

2)利用數(shù)學(xué)模型，對溴化鋰吸收式冷水機(jī)組進(jìn)行了性能分析，得到熱源溫度、冷卻水進(jìn)口溫度以及冷凍水進(jìn)口溫度對機(jī)組COP 的影響較大。

3)通過某一水下航行器溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組的設(shè)計優(yōu)化計算，得到其設(shè)計COP 為1.306 0；根據(jù)其運行條件，得到水下航行器冷水機(jī)組運行COP為1.29，乏汽耗量為0.380 kg/s，不足二回路蒸汽流量的0.6%，對于水下航行器的續(xù)航能力基本無影響。