張 偉，周 睿，劉義軍

(中國艦船研究設(shè)計中心，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)計中心，湖北武漢430064)

根據(jù)目前國外主流AIP潛艇均大量存儲液氧作為氧化劑的技術(shù)現(xiàn)狀，通過對液氧汽化過程中的冷量進行分析和計算，指出液氧汽化時的冷量具有較高的利用價值，然后提出利用液氧進行食品冷庫、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、復雜程度等方面進行比較，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技術(shù)的進步，導致常規(guī)潛艇的通氣管航態(tài)已基本成為暴露狀態(tài)，而常規(guī)潛艇在水下航行時的蓄電池所需的能量又只能通過通氣管航行充電來進行補充這一矛盾日益突出。西方常規(guī)潛艇技術(shù)先進的國家，如德國、瑞典、法國等基于本國國情和技術(shù)優(yōu)勢，分別提出了FC/AIP(燃料電池AIP)、SE/AIP(熱氣機 AIP)、MESMA/AIP(閉式循環(huán)汽輪機 AIP)的設(shè)想并付諸實施，分別研制了212級潛艇、“哥德蘭”級潛艇、“鲉魚”級潛艇等新型潛艇，成為目前世界常規(guī)潛艇市場上的主流產(chǎn)品［3］。

西方目前的成熟AIP技術(shù)，其原動機的工作原理各有不同，但是都有一個共同的技術(shù)特征是必須在潛艇上攜帶大量的液氧作為原動機水下工作時的氧化劑。液氧的深低溫存儲特性保證了可在常規(guī)潛艇有限的艙室空間內(nèi)存儲較大量的氧化劑。液氧的溫度為－183℃，在汽化到標準狀態(tài)時將膨脹約800倍。AIP系統(tǒng)工作時，必須將液氧氣化成氣氧，才能保證原動機的燃燒或電化學反應所需的氧化劑供應。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液氧儲罐進行增壓，然后待罐內(nèi)壓力達到要求后，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)供給原動機燃燒所用。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 分析的方法對液氧汽化過程的可用冷量進行分析。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，工質(zhì)所能作出的最大有用功［2］。對液氧汽化過程而言，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時為處于平衡狀態(tài)的兩相物質(zhì)，汽化潛熱為r，相應潛熱 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)動機供氣管路直接相連，可認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，而實際可用的冷量 e=et。

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

對式(2)，由于在從Ts升溫到T0過程中，定壓比熱是變化值，為計算方便，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)計算

在代入液氧的汽化潛熱值r=213 kJ/kg［6］，可對式(2)進行求解，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34 kW。這對于AIP潛艇而言相當可觀。同時還可以看出，環(huán)境溫度T0越高，相應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］。而對于AIP潛艇而言，可通過將液氧與冷媒在低溫換熱器中進行熱交換，冷卻后的冷媒經(jīng)管道進入冷庫，通過盤管釋放冷量，實現(xiàn)對食品的冷凍冷藏。

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

冷媒在整個運行過程中無相變，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，實現(xiàn)冷媒的串聯(lián)化運行，充分利用液氧的冷能，也實現(xiàn)了冷媒冷量的梯級利用，特別適用于具有冷藏、冷凍功能分開的梯級冷庫。

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，冷媒溫度也相應升高;接著進入溫度較低的次低溫冷庫換熱器，釋放冷量并升溫;最后進入較高溫冷庫換熱。

無相變流程特點是流程和設(shè)備簡單，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現(xiàn)，導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，相應需要的冷媒流量就較小。對于有冷藏、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，對應的蒸發(fā)壓力亦不同，如果采用類似2.1.1中的串聯(lián)流程，則會帶來各冷庫壓力控制不均衡的問題，無法保證各個換熱器中實際的運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，對應的蒸發(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)備和控制較復雜，發(fā)生相變后，其氣相部分體積較大，導致氣態(tài)管路的直徑和相應換熱器尺寸也較大，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，以達到空調(diào)制冷。

采用本方案進行制冷，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)換熱器中進行熱交換，降低潛艇艙內(nèi)空氣溫度，達到制冷目的。

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，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，對于常規(guī)潛艇來說相當可觀。

具體到使用液氧的冷量進行制淡，其流程圖如圖6所示。具體流程如下：原料海水首先經(jīng)過換熱器進行預冷;之后進入結(jié)晶器，與2次冷媒進行間接換熱，形成冰;形成的冰進入儲冰罐后，經(jīng)洗滌、溶化后進入儲水罐，儲水罐有少部分淡水作為洗滌水回到儲冰罐，其余部分作為產(chǎn)品經(jīng)換熱器后進入潛艇淡水柜，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、流程復雜性、安全性、冷量利用效率等方面進行比較，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，目前采用液氧進行空調(diào)制冷具有較強烈的軍事需求，同時安全性和實現(xiàn)可能性均較高。

3 結(jié)語

本文根據(jù)目前國外主流AIP潛艇均大量存儲液氧作為氧化劑的技術(shù)現(xiàn)狀，通過對液氧汽化過程中的冷量進行 分析和計算，指出液氧汽化時的冷量具有較高的利用價值，然后提出利用液氧進行食品冷庫、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、復雜程度等方面進行了比較，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，研究方向為艦船動力裝置。