AIP潜艇液氧冷量利用研究

张 伟，周 睿，刘义军

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064)

AIP潜艇液氧冷量利用研究

张 伟，周 睿，刘义军

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064)

根据目前国外主流AIP潜艇均大量存储液氧作为氧化剂的技术现状，通过对液氧汽化过程中的冷量进行分析和计算，指出液氧汽化时的冷量具有较高的利用价值，然后提出利用液氧进行食品冷库、空调制冷、海水制淡等利用方式，最后从军事需求、利用效率、复杂程度等方面进行比较，得出空调制冷流程具有最佳技术成熟度的结论。

通孔泡沫铝;水下;声学性能;流体饱和;粘度

0 引言

近年来，常规潜艇不依赖空气推进系统 (AIP系统)在国外发展迅速，其主要原因在于反潜探测技术的进步，导致常规潜艇的通气管航态已基本成为暴露状态，而常规潜艇在水下航行时的蓄电池所需的能量又只能通过通气管航行充电来进行补充这一矛盾日益突出。西方常规潜艇技术先进的国家，如德国、瑞典、法国等基于本国国情和技术优势，分别提出了FC/AIP(燃料电池AIP)、SE/AIP(热气机 AIP)、MESMA/AIP(闭式循环汽轮机 AIP)的设想并付诸实施，分别研制了212级潜艇、“哥德兰”级潜艇、“鲉鱼”级潜艇等新型潜艇，成为目前世界常规潜艇市场上的主流产品［3］。

西方目前的成熟AIP技术，其原动机的工作原理各有不同，但是都有一个共同的技术特征是必须在潜艇上携带大量的液氧作为原动机水下工作时的氧化剂。液氧的深低温存储特性保证了可在常规潜艇有限的舱室空间内存储较大量的氧化剂。液氧的温度为－183℃，在汽化到标准状态时将膨胀约800倍。AIP系统工作时，必须将液氧气化成气氧，才能保证原动机的燃烧或电化学反应所需的氧化剂供应。在液氧汽化过程中，需要吸收大量的热量，从而释放出大量的可用冷能。这些冷能具有进行冷能发电、空调制冷、食品保存等利用潜力。目前在民用领域，已出现了利用液化天然气冷能进行汽车空调制冷的新技术［1－2］。如能在AIP潜艇上有效利用这些冷能，可有效降低全船功耗以提高续航力。

1 液氧汽化过程中可用冷量的 分析

液氧汽化原理图如图1所示。其基本流程为首先对液氧储罐进行增压，然后待罐内压力达到要求后，将液氧输入汽化器中，汽化器的汽化热源为热淡水，液氧在汽化器中完成汽化和压力调整后，以气相状态供给原动机燃烧所用。汽化器还具有自增压能力，即将汽化器中汽化后的气氧输送回氧罐气相空间以增加氧罐的压力。

图1 液氧汽化原理图Fig.1 Schematic diagram of liquid oxygen vaporize

采用 分析的方法对液氧汽化过程的可用冷量进行分析。状态参数 就是在除环境介质外无其他热源的条件下，稳定流动工质从所处的状态经可逆途径变化到与环境介质处于热力平衡状态时，工质所能作出的最大有用功［2］。对液氧汽化过程而言，其可用的冷量火用e可分为压力p下由热不平衡引起的低温火用et和环境温度下由力不平衡引起的压力 ep，即

液氧在压力p下由低温Ts升高到T0过程中发生沸腾相变。设液氧在温度Ts时为处于平衡状态的两相物质，汽化潜热为r，相应潜热 为(－1)r，再加上从Ts升温到T0过程中气体吸热的显热 ，则低温 et可用式(2)表示，即

式中：r为液氧汽化潜热;Cp为氧气定压比热。

压力 ep用式(3)计算，

由于液氧在汽化器中的汽化和膨胀过程中，与管路系统中上游的液氧罐和下游的发动机供气管路直接相连，可认为汽化过程中压力保持恒定，与氧罐内压力相同，故压力 ep为0，而实际可用的冷量 e=et。

根据液氧汽化流程的特点，从式(2)中可见对冷量 影响最主要的因素应为热源温度。

对式(2)，由于在从Ts升温到T0过程中，定压比热是变化值，为计算方便，引入平均定压比热的概念［1］。

氧气的分子量μ=32，其定值摩尔比热值μcp=7 ×4.1868［1］，其平均定压比热按式(4)计算

在代入液氧的汽化潜热值r=213 kJ/kg［6］，可对式(2)进行求解，并绘出液氧的 图见图2。

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

从图中可以看出，液氧冷量的可用能是较大的。气化温度Ts=90 K，环境温度T0=280 K，单位质量液氧的最大可用能et=500 kJ/kg，如果液氧流量为250 kg/h，其理论可用功率可达34 kW。这对于AIP潜艇而言相当可观。同时还可以看出，环境温度T0越高，相应的液氧冷量的可用能也较大。

2 冷量利用方式探讨

2.1 冷能回收用于潜艇冷库

目前，常规潜艇的冷库均采用多极压缩制冷装置维持冷库低温，耗电量较大［4］。而对于AIP潜艇而言，可通过将液氧与冷媒在低温换热器中进行热交换，冷却后的冷媒经管道进入冷库，通过盘管释放冷量，实现对食品的冷冻冷藏。

利用液氧的冷库流程，根据冷媒是否发生相变，可分为冷媒发生相变的流程和无相变流程。

2.1.1 冷媒无相变的冷库流程

冷媒在整个运行过程中无相变，可考虑按照温度从低到高串联，使得冷媒逐渐通过释放冷量，实现冷媒的串联化运行，充分利用液氧的冷能，也实现了冷媒冷量的梯级利用，特别适用于具有冷藏、冷冻功能分开的梯级冷库。

图3 无相变冷库流程图Fig.3 Schematic diagram of refrigeratory without phase transition

具体流程是冷媒在液氧－冷媒换热器中获得冷量后，通过自增压方式或泵送方式进入温度最低的低温冷冻库换热器中释放一定冷量，冷媒温度也相应升高;接着进入温度较低的次低温冷库换热器，释放冷量并升温;最后进入较高温冷库换热。

无相变流程特点是流程和设备简单，控制方便，但是冷媒仅靠显热来携带冷量，缺少了汽化潜热的冷量，如果需要加大冷量，只能通过增加冷媒的流量来实现，导致流程中冷媒流量较大。

2.1.2 冷媒相变的冷库流程

冷媒发生相变的流程，单位质量的冷媒冷量较大，相应需要的冷媒流量就较小。对于有冷藏、冷冻等不同需求的冷库来说，由于要求的冷媒蒸发温度不同，对应的蒸发压力亦不同，如果采用类似2.1.1中的串联流程，则会带来各冷库压力控制不均衡的问题，无法保证各个换热器中实际的运行压力均保持在蒸发压力，从而出现某些换热器中冷媒是全液态或气态的情况。

在此，考虑采用并联流程，即将温度要求不同的多个冷库换热器并联，通过节流阀或调压阀控制不同冷库的蒸发压力需求，其并联流程图如图4所示。

图4 相变冷库流程图Fig.4 Schematic diagram of refrigeratory with phase transition

如图4所示，较高温冷库的换热器蒸发温度最高，对应的蒸发压力也最高，可不配置节流阀，直接作为蒸发起始段压力;次低温冷库蒸发压力较低，则用节流阀节流降压到所需的压力;低温冷库的蒸发温度和压力最低，相应采用阀节流降压后作为并联末端的压力。为保证3种冷库出口侧压力相等，在次低温冷库和较高温冷库设置节流阀。

采用相变方案的冷库流程，冷媒流量小，但是设备和控制较复杂，发生相变后，其气相部分体积较大，导致气态管路的直径和相应换热器尺寸也较大，不利于舱室布置。

2.2 液氧冷能回收用于潜艇空调制冷

利用液氧冷能进行空调制冷基本原理与冷库类似，即采用中间冷媒和液氧换热，冷媒获得冷量，温度降低，再使用冷媒和空调换热器换热，以达到空调制冷。

采用本方案进行制冷，制冷功率的大小取决于液氧的汽化量，而汽化量取决于AIP装置的消耗量，从目前国际上潜艇AIP动力装置配置情况看，制冷功率可能不足以满足全艇的制冷空调需求，若要加以利用可采取分区空调的形式。

以水作为中间冷媒的流程图如图5所示。其具体过程是：液氧经自增压或泵送方式输入到汽化器中，与来自潜艇空调的循环水进行热交换后变成气态，然后气氧输送给AIP装置工作所需。而经过冷却后的循环水温度下降至5℃ ～7℃后，经空调冷水泵组泵送至空调换热器中进行热交换，降低潜艇舱内空气温度，达到制冷目的。

图5 换热空调流程图Fig.5 Schematic diagram of air-condition

2.3 冷能用于潜艇海水制淡

液氧冷能用于潜艇的海水制淡，属于冷冻法海水淡化的一种。其原理是：海水部分冻结时，盐分富集于未冻结的海水中，而冻结形成的冰中的含盐量大幅降低，通过将冰晶进行洗涤、分离、溶化后可得到淡水，冷量换算为制淡量约2 t/h，对于常规潜艇来说相当可观。

具体到使用液氧的冷量进行制淡，其流程图如图6所示。具体流程如下：原料海水首先经过换热器进行预冷;之后进入结晶器，与2次冷媒进行间接换热，形成冰;形成的冰进入储冰罐后，经洗涤、溶化后进入储水罐，储水罐有少部分淡水作为洗涤水回到储冰罐，其余部分作为产品经换热器后进入潜艇淡水柜，供艇员作洗涤水使用;而2次冷媒在汽化器中与液氧进行交换并吸收冷量。

图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 几种液氧冷量利用方式比较

根据前文提到的几种在常规潜艇上具有应用前景的冷量利用方式分析，结合目前国外AIP潜艇在战区内的使用模式［5］，从需求迫切性、流程复杂性、安全性、冷量利用效率等方面进行比较，如表1所示。

表1 几种液氧冷量利用方式比较Tab.1 Contrast of liquid oxygen's cold engine using methods

根据表1所示，综合考虑，目前采用液氧进行空调制冷具有较强烈的军事需求，同时安全性和实现可能性均较高。

3 结语

本文根据目前国外主流AIP潜艇均大量存储液氧作为氧化剂的技术现状，通过对液氧汽化过程中的冷量进行 分析和计算，指出液氧汽化时的冷量具有较高的利用价值，然后提出利用液氧进行食品冷库、空调制冷、海水制淡等利用方式，最后从军事需求、利用效率、复杂程度等方面进行了比较，得出空调制冷流程具有最佳的技术成熟度的结论。

［1］顾安忠，鲁雪生．液化天然气技术手册［M］．北京：机械工业出版社，2010．

GU An-zhong，LU Xue-sheng．Technical handbook of LNG［M］．Beijing：China Machine Press，2011．

［2］沈维道，郑佩芝，蒋淡安．工程热力学［M］．北京：高等教育出版社，1995．

SHEN Wei-dao， ZHENG Pei-zhi， JIANG Dan-an．Thermodynamics and engineering［M］．Beijing：Higher Education Press，1995．

［3］王晓武．国外常规潜艇AIP技术现状及发展趋势分析［J］．舰船科学技术，2009，31(1)：172 －175．

WANG Xiao-wu．Analysis of technology condition and development trend for air independent Propulsion(AIP)technology for conventional submarine［J］．Ship Science and Technology，2009，31(1)：172 －175．

［4］彭光明．AIP潜艇舱室大气环境控制系统研究［J］．中国舰船研究，2006，1(2)：62 －65．

PENG Guang-ming．A study on the cabin atmosphere control system of AIP submarines［J］．Chinese Journal of Ship Research，2006，1(2)：62 －65．

［5］魏树婧，肖鹏，崔为耀．装备先进AIP系统的常规潜艇设计与相应战区层次影响的确定［J］．国外舰船工程，2013(2)：52－59．

WEIShu-jing，XIAO Peng，CUIWei-yao．Designof advanced AIP submarine and its influence confirm of battlezone arrangement［J］．International Ship Engineering，2013(2)：52－59．

［6］徐烈．低温真空技术［M］．北京：机械工业出版社，2008．

XU Lie．Technique of low-temperature vacuum［M］．Beijing：China Machine Press，2008．

［7］杨鹏，杜玉清，石玉美．液化天然气汽车LNG冷量利用方式探讨［J］．天然气工业，2004(7)：98－101．

YANG Peng，DU Yu-qing，SHI Yu-mei．Discuss of LNG automobile's cold energy using［J］．Natural Gas Industry，2004(7)：98－101．

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

张伟 (1977－)，男，硕士，工程师，研究方向为舰船动力装置。