溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在艦船上應(yīng)用研究

李雪亭,崔忠善,姚祺峰

(92330部隊(duì)裝備部,山東青島 266102)

0 前言

1966年,我國試制成功了第一臺單效蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組,隨后便開始摸索、研究溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在艦船上應(yīng)用,并于 1968年制成了船用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組。經(jīng)過 40多年的試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐,并經(jīng)不斷改進(jìn)、完善,溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在艦船上得到良好應(yīng)用,在降低艦船噪音、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用。

1 主要技術(shù)難題

溴化鋰吸收式制冷技術(shù)研究已近一個(gè)世紀(jì),最早為陸用,陸用溴化鋰吸收式制冷技術(shù)已非常成熟。陸用機(jī)組處于整機(jī)靜止?fàn)顟B(tài),冷卻水源固定,維修空間相對寬裕;而艦船用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組隨艦船搖擺,其冷卻水溫度變化頻繁,維修空間狹小,甚至處于密閉的艦船艙室內(nèi)。溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在艦船上應(yīng)用遇到了如下主要問題。

1)冷劑水易污染。

受潛艇搖擺影響,溴化鋰吸收式制冷機(jī)組發(fā)生器內(nèi)的濃溶液液面將產(chǎn)生波動(dòng),甚至積聚到其某一端或某一側(cè),易隨水蒸氣進(jìn)入冷凝器,進(jìn)而流入蒸發(fā)器,導(dǎo)致冷劑水污染,造成機(jī)組制冷量下降。

2)溶液泵、冷劑泵產(chǎn)生吸空現(xiàn)象。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組溶液泵、吸收泵的吸入口一般設(shè)在吸收器與蒸發(fā)器的水盤中心位置,受艦船搖擺影響,吸收器和蒸發(fā)器水盤內(nèi)的溶液、冷劑水會積聚到其某一端或某一側(cè),致使溶液泵和冷劑泵吸入口露出液面,導(dǎo)致溶液泵和冷劑泵吸空,機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。

3)溶液熱交換器濃溶液側(cè)易結(jié)晶。

當(dāng)艦船活動(dòng)到不同海域或不同水深時(shí),冷卻海水的溫度將隨之變化,尤其是潛艇潛浮過程中海水溫度變化迅速且呈現(xiàn)階躍性,甚至無規(guī)律;而溴化鋰吸收式制冷機(jī)組冷卻水流量調(diào)節(jié)信號為吸收器冷卻海水出口溫度,冷卻海水從吸收器海水進(jìn)口進(jìn)入后需完成一個(gè)熱力過程才從出口流出,這使得冷卻海水流量調(diào)節(jié)裝置感應(yīng)到冷卻海水溫度變化并對冷卻海水流量實(shí)施調(diào)節(jié)的動(dòng)作滯后,自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn),但溫度降低的冷卻海水將使吸收器內(nèi)的稀溶液溫度迅速降低,溫度較低的稀溶液在溶液熱交換器中與濃溶液進(jìn)行熱交換過程中引發(fā)濃溶液結(jié)晶。如果冷卻海水頻繁變化,即使沒有導(dǎo)致熱交換器濃溶液側(cè)產(chǎn)生結(jié)晶,也會使機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。

4)表面活性劑提高機(jī)組制冷效率的方法使用受到限制。

在溴化鋰溶液中添加辛醇等表面活性劑可顯著提高吸收器的吸收效果和冷凝器的冷凝效果,機(jī)組制冷量可提高 10%～15%,但辛醇等表面活性劑具有刺激性氣味、毒性。充入機(jī)組內(nèi)的辛醇等表面活性劑理論上講不會外泄,但在機(jī)械真空泵抽氣時(shí),辛醇等表面活性劑蒸氣會與不凝性氣體一并被抽出機(jī)組外,抽氣次數(shù)愈多,抽出機(jī)組外的辛醇等表面活性劑量就愈大。抽出的辛醇等表面活性劑可能會對艦船狹小空間,尤其是潛艇密閉艙室內(nèi)的人員造成傷害,因此,添加辛醇等表面活性劑提高制冷量的方法受到了嚴(yán)格限制。

5)機(jī)組維修難度大。

艦船空間狹小,特別是潛艇,機(jī)組周圍留有的維修空間有限,甚至沒有維修空間。機(jī)組在役維修難度大,尤其是機(jī)組密封性排查時(shí),存在不能實(shí)施排查的部位,這些部位一旦發(fā)生泄漏,將影響機(jī)組密封性。

2 技術(shù)對策

針對溴化鋰吸收式制冷機(jī)組在艦船上應(yīng)用存在的主要技術(shù)難題,結(jié)合艦船具有搖擺、空間狹小等特性,采取了多種有效技術(shù)措施進(jìn)行改進(jìn)。主要技術(shù)對策如下。

1)優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)型式。

目前,艦船上主要使用的是單筒型單效溴化鋰吸收式冷水機(jī)組,發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器置于一個(gè)筒體內(nèi),整個(gè)筒體一分為二,形成兩個(gè)壓力區(qū),即上部為發(fā)生—冷凝壓力區(qū),下部為蒸發(fā)—吸收壓力區(qū),并通過 U型管節(jié)流裝置等相連。其結(jié)構(gòu)緊湊、整體密封性好、機(jī)組高度低,適宜艦船使用。

2)設(shè)計(jì)、安裝高效的自動(dòng)抽氣裝置。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組運(yùn)行過程中,內(nèi)部會產(chǎn)生不凝性氣體;且受艦船上的維修條件所限,機(jī)組密封性不能得到徹底排查,密封性難以保證。因此,設(shè)計(jì)高效的自動(dòng)抽氣裝置并在艦船用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組上設(shè)置,可及時(shí)抽出機(jī)組內(nèi)的不凝性氣體,確保機(jī)組制冷效果和穩(wěn)定運(yùn)行。目前,艦船使用的自動(dòng)抽氣裝置設(shè)有溶液冷卻器、貯氣室及貯氣室壓力顯示報(bào)警模塊,有效避免了引射液汽化,極大地提高了抽氣效率,也降低了真空泵油的更換頻率,延長了真空泵的使用壽命。

3)蒸發(fā)器、吸收器和發(fā)生器上增設(shè)液囊結(jié)構(gòu)。

在蒸發(fā)器和吸收器水盤上增設(shè)低于水盤的液囊結(jié)構(gòu),可將其中的溶液和冷劑水收集,有效防止了蒸發(fā)器和吸收器內(nèi)的溶液、冷劑水在艦船搖擺過程中積聚到其某一端或一側(cè);并將溶液泵、冷劑泵的吸入口分別設(shè)置在其液囊底部,從而確保了泵吸入口在艦船搖擺過程中不致露出液面而引發(fā)泵吸空。

在發(fā)生器兩端分別增設(shè)低于發(fā)生器的液囊結(jié)構(gòu),并在液囊底部開設(shè)通向溶液熱交換器的濃溶液回流口,發(fā)生器中產(chǎn)生的濃溶液可及時(shí)收集其中,并由此流向溶液熱交換器,有效避免了艦船搖擺過程中濃溶液積聚在發(fā)生器某一端或某一側(cè)而影響濃溶液回流及導(dǎo)致冷劑水污染。

4)改進(jìn)發(fā)生器與冷凝器之間的擋液板結(jié)構(gòu)。

艦船搖擺時(shí),發(fā)生器內(nèi)噴淋的稀溶液流態(tài)會發(fā)生改變,濃溶液液面也將產(chǎn)生波動(dòng),濃溶液液滴易隨水蒸氣進(jìn)入冷凝器,引發(fā)冷劑水污染。因此,為避免發(fā)生器中的濃溶液液滴隨水蒸氣進(jìn)入冷凝器,必須增強(qiáng)發(fā)生器與冷凝器之間的擋液板效能。目前艦船用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組采用雙折擋液板設(shè)計(jì),效果良好。

5)適度增大制冷量設(shè)計(jì)裕量。

隨著溴化鋰吸收式制冷機(jī)組使用時(shí)間的延長,其制冷量會發(fā)生不同程度的衰減,但由于艦船維修條件限制,難以將衰減的制冷量恢復(fù),從而影響艦船空調(diào)效果;另外,艦船活動(dòng)到海水溫度較高海域,尤其是海水溫度高于設(shè)計(jì)溫度的海域時(shí),制冷量明顯下降,但艦船需求冷負(fù)荷卻增大。因此,在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適度增大制冷量裕量,以補(bǔ)償機(jī)組后續(xù)的能量衰減,保障艦船冷負(fù)荷需求。目前,艦船使用的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組設(shè)計(jì)制冷量比艦船額定冷負(fù)荷增大了 10%～20%,很好地滿足了艦船冷負(fù)荷需求。

3 結(jié)束語

經(jīng)過 40多年的試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐,通過設(shè)計(jì)合理的機(jī)組結(jié)構(gòu)型式、適當(dāng)增大機(jī)組設(shè)計(jì)制冷量、在機(jī)組上設(shè)置高效自動(dòng)抽氣裝置以及在吸收器、蒸發(fā)器和發(fā)生器上增設(shè)液囊結(jié)構(gòu),溴化鋰吸收式制冷機(jī)組逐步滿足了艦船使用條件,溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在艦船上得到了較好應(yīng)用,并收到了良好效果。但是,目前艦船上應(yīng)用的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組仍存在制冷量衰減后難以恢復(fù)和操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題,應(yīng)盡快研制辛醇等表面活性劑吸附器或新型表面活性劑,解決表面活性劑在艦船溴化鋰吸收式制冷機(jī)組上的應(yīng)用問題;研發(fā)新的自動(dòng)控制技術(shù)以滿足機(jī)組在冷卻海水溫度急劇變化情況下的正常運(yùn)行。