溴化鋰冷水機組在水下航行器中的性能研究

中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術國家級重點實驗室，四川 成都 610213

水下航行器內人員多、設備組成復雜，是一個高溫高濕的密閉環境[1]。以水下航行器機艙為例，其溫度一般在40 ℃左右，局部環境溫度45～50 ℃，極限溫度可到60 ℃，并且由于設備和人員散濕，局部相對濕度高達80%。為了保證水下航行器內人員的健康和設備的正常運行，各國對水下航行器各艙內空氣的溫濕度均進行了規定。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57 ℃[2]。我國對水下航行器空調艙室的溫濕度也進行了相關規定：對于特殊動力，夏季艙室最高溫度應不高于29 ℃，相對濕度應不大于60%；對于常規動力，夏季艙室最高溫度應不高于30 ℃，相對濕度應不大于70%[3]。

為控制水下航行器內溫濕度，常規動力水下航行器的空調裝置(包括冷水機組、空調器等)耗電量較大，其水下航行時所有機電設備的能源都來自蓄電池，而空調裝置是其水下航行時必須連續工作的耗電大戶[4]。據研究，我國常規動力水下航行器運行時，其空調裝置用電量約占動力消耗的37%以上[5]，有時甚至高達70%，這直接影響到水下航行器的續航能力[6]。而對于特殊動力水下航行器而言，目前尚無相關研究，但考慮到冷水機組在空調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組進行耗能研究，可以在一定程度上預估空調裝置對特殊動力水下航行器續航能力的影響。

目前水下航行器空調系統的制冷機組分為以下3 種：直接冷卻式氟利昂制冷機組、間接冷卻式氟利昂冷水機組和間接冷卻式溴化鋰冷水機組[7]。直接冷卻式氟利昂冷水機組以氟利昂為制冷劑和冷媒，制冷量一般較小，設備體積小，適用于水下航行器局部區域和部分房間的空氣調節。間接冷卻式氟利昂冷水機組以氟利昂為制冷劑，以冷水為冷媒，制冷量一般較大，設備體積大，適用于水下航行器集中空氣調節。美國海軍現役水下航行器“海狼”(SSN-21)號即采用間接冷卻式氟利昂冷水機組[8]。間接冷卻式溴化鋰冷水機組利用吸收式制冷原理，以溴化鋰水溶液為制冷工質，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行加熱，適用于有余熱可供利用的環境，并且由于其振動噪聲小[9]、運行穩定性高、維護成本低等優勢[10?11]，適合在特殊動力水下航行器中使用[12]。

本文對溴化鋰冷水機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組各設備進行建模，利用MATLAB 進行編程求解，并通過實驗驗證模型的準確性，然后利用模型對溴化鋰吸收式冷水機組進行性能分析，最后通過將其應用于某一水下航行器，對冷水機組耗能進行定量計算。

1 溴化鋰吸收式冷水機組模型建立

與常規應用的溴化鋰吸收式冷水機組相比，在水下航行器中應用時，其工作原理和主要換熱設備均不變。但是由于水下航行器存在搖擺，其發生器、蒸發器和吸收器的設計應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組由二回路乏汽系統供蒸汽驅動，蒸發器提供所需冷量，吸收器和冷凝器的熱量由二回路海水冷卻系統排出，乏汽系統正常工作溫度為120～265 ℃，乏汽系統正常工作壓力為0.3±0.2 MPa。

1.1 溴化鋰吸收式冷水機組流程

溴化鋰吸收式冷水機組流程如圖1 所示。

圖1 溴化鋰吸收式冷水機組流程

1.2 溴化鋰吸收式冷水機組模型假設

對模型做出假設如下[13?16]：

1)系統處于穩態；

2)低壓發生器壓力等于冷凝壓力；

3)除熱交換器外，所有換熱設備出口均為飽和狀態；

4)系統不向環境散熱；

5)系統無電耗。

1.3 溴化鋰吸收式冷水機組控制方程

根據溴化鋰吸收式冷水機組流程圖，結合模型假設，列出模型控制方程。

1)蒸發器

式中D為冷劑蒸汽量，kg/s。

傳熱系數K0為[17]

2)吸收器

式中：a為溶液循環倍率；x為溴化鋰溶液質量濃度，%。

3)冷凝器

式中y為高壓發生器蒸汽產生比例，%。

4)低溫熱交換器

5)高溫熱交換器

6)低壓發生器

7)高壓發生器

1.4 溴化鋰吸收式冷水機組模型求解

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

圖2 溴化鋰吸收式冷水機組數學模型流程

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組數學模型的準確性，通過對某一溴化鋰吸收式冷水機組進行實測，得到實測結果，并通過實測結果和模擬結果的對比，驗證了數學模型的準確性，利用模型對機組性能展開分析。

2.1 數學模型驗證

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

圖3 溴化鋰吸收式冷水機組模擬與實測結果對比

2.2 性能分析

本節利用1 節中的數學模型，對溴化鋰吸收式冷水機組的性能展開分析，分析結果見圖4～8，分析過程采用單一變量法，各參數基準值如下：熱源溫度165 ℃，冷凍水進口溫度13 ℃，冷卻水流量13 kg/s，冷卻水進口溫度30 ℃，冷凍水流量8 kg/s，制冷量需求為170 kW。

圖4 熱源溫度對機組COP 的影響

圖5 冷凍水進口溫度對機組COP 的影響

圖6 冷凍水流量對機組COP 的影響

圖7 冷卻水進口溫度對機組COP 的影響

圖8 冷卻水流量對機組COP 的影響

通過分析可知熱源溫度、冷卻水進口溫度以及冷凍水進口溫度3 個外部參數對于冷水機組的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，前文對溴化鋰冷水機組的性能進行了分析，后文根據具體應用場景即可計算其耗能。

3.1 水下航行器運行工況

本文冷水機組中空調冷水均采用間接冷卻方式，由冷水機組蒸發器降溫，與此同時，海水冷卻系統將海水源源不斷地流過冷水機組冷凝器，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 ℃。考慮到水下航行器任務的隨機性，并且南海水溫隨深度的增加遞減，為使其在高溫海區全動力航行時冷水機組可滿足其要求，海水溫度定為30 ℃，也即冷卻水進口溫度為30 ℃。從而得到冷水機組運行工況如表1 所示。

表1 水下航行器冷水機組運行工況

3.2 耗能計算分析

1)設計計算

根據溴化鋰冷水機組設計計算[12]，初步確定機組設計參數，再通過溴化鋰吸收式冷水機組優化設計，對其初投資和機組COP 進行優選，使其技術經濟性最佳，從而得到最終設計參數。

冷水機組初步設計計算結果如表2 所示。

表2 冷水機組初步設計計算結果

2)設計優化

由于溴化鋰吸收式冷水機組初投資主要包括銅管和鋼板2 種原材料及其加工費用，而機組內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組優化分析時，機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，因此假設機組初投資與機組總換熱面積成正比。

為使其技術經濟性最佳，也即對其初投資和機組COP 進行優選，本節在滿足負荷需求的前提下，以機組COP 為目標函數，對機組各設備換熱面積進行優選，通過正交優化設計，得到最終設計參數。

根據初步設計計算結果，確定機組各設備換熱面積正交優化設計的因素水平為：

F_hg：高壓發生器換熱面積，3 個水平，41、46、51 m2；

F_lg：低壓發生器換熱面積，3 個水平，51、56、61 m2；

F_e：蒸發器換熱面積，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：高溫熱交換器換熱面積，3 個水平，36、41、46 m2；

F_lex：低溫熱交換器換熱面積，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。

確定吸收式機組各設備換熱面積優化設計正交表見表3。

表3 機組各設備換熱面積優化設計正交表 m2

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

表4 各組合計算結果

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

表5 冷水機組最終設計計算結果

3)耗能分析

根據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，計算得到冷水機組COP 為1.29，冷水機組蒸汽耗能為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，蒸汽發生器多用熱效率偏高的管內直流式，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，其中溴化鋰冷水機組所耗蒸汽占比不到0.6%。對于水下航行器的續航能力基本無影響。

4 結論

本文利用lsqnonlin 函數進行約束非線性最小求解，對溴化鋰冷水機組在水下航行器中的性能展開研究，得出了以下結論：

1)建立溴化鋰吸收式冷水機組的數學模型，對溴化鋰吸收式冷水機組進行實地測試。利用測試結果對模型進行驗證，其中機組測試COP 為1.07～1.38，模型計算COP 最大相對誤差為2.94%，可以認為該模型可用于預測溴化鋰吸收式冷水機組性能。

2)利用數學模型，對溴化鋰吸收式冷水機組進行了性能分析，得到熱源溫度、冷卻水進口溫度以及冷凍水進口溫度對機組COP 的影響較大。

3)通過某一水下航行器溴化鋰冷水機組的設計優化計算，得到其設計COP 為1.306 0；根據其運行條件，得到水下航行器冷水機組運行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航能力基本無影響。