溴化鋰吸收式制冷技術在艦船上應用研究

李雪亭,崔忠善,姚祺峰

(92330部隊裝備部,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組,隨后便開始摸索、研究溴化鋰吸收式制冷技術在艦船上應用,并于 1968年制成了船用溴化鋰吸收式制冷機組。經過 40多年的試驗研究與工程實踐,并經不斷改進、完善,溴化鋰吸收式制冷技術在艦船上得到良好應用,在降低艦船噪音、環境保護等方面發揮了重要作用。

1 主要技術難題

溴化鋰吸收式制冷技術研究已近一個世紀,最早為陸用,陸用溴化鋰吸收式制冷技術已非常成熟。陸用機組處于整機靜止狀態,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。溴化鋰吸收式制冷技術在艦船上應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組發生器內的濃溶液液面將產生波動,甚至積聚到其某一端或某一側,易隨水蒸氣進入冷凝器,進而流入蒸發器,導致冷劑水污染,造成機組制冷量下降。

2)溶液泵、冷劑泵產生吸空現象。

溴化鋰吸收式制冷機組溶液泵、吸收泵的吸入口一般設在吸收器與蒸發器的水盤中心位置,受艦船搖擺影響,吸收器和蒸發器水盤內的溶液、冷劑水會積聚到其某一端或某一側,致使溶液泵和冷劑泵吸入口露出液面,導致溶液泵和冷劑泵吸空,機組運行不穩定。

3)溶液熱交換器濃溶液側易結晶。

當艦船活動到不同海域或不同水深時,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階躍性,甚至無規律;而溴化鋰吸收式制冷機組冷卻水流量調節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口進入后需完成一個熱力過程才從出口流出,這使得冷卻海水流量調節裝置感應到冷卻海水溫度變化并對冷卻海水流量實施調節的動作滯后,自動控制難以實現,但溫度降低的冷卻海水將使吸收器內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行熱交換過程中引發濃溶液結晶。如果冷卻海水頻繁變化,即使沒有導致熱交換器濃溶液側產生結晶,也會使機組運行不穩定。

4)表面活性劑提高機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。充入機組內的辛醇等表面活性劑理論上講不會外泄,但在機械真空泵抽氣時,辛醇等表面活性劑蒸氣會與不凝性氣體一并被抽出機組外,抽氣次數愈多,抽出機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格限制。

5)機組維修難度大。

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

2 技術對策

針對溴化鋰吸收式制冷機組在艦船上應用存在的主要技術難題,結合艦船具有搖擺、空間狹小等特性,采取了多種有效技術措施進行改進。主要技術對策如下。

1)優化機組結構型式。

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組,發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器置于一個筒體內,整個筒體一分為二,形成兩個壓力區,即上部為發生—冷凝壓力區,下部為蒸發—吸收壓力區,并通過 U型管節流裝置等相連。其結構緊湊、整體密封性好、機組高度低,適宜艦船使用。

2)設計、安裝高效的自動抽氣裝置。

溴化鋰吸收式制冷機組運行過程中,內部會產生不凝性氣體;且受艦船上的維修條件所限,機組密封性不能得到徹底排查,密封性難以保證。因此,設計高效的自動抽氣裝置并在艦船用溴化鋰吸收式制冷機組上設置,可及時抽出機組內的不凝性氣體,確保機組制冷效果和穩定運行。目前,艦船使用的自動抽氣裝置設有溶液冷卻器、貯氣室及貯氣室壓力顯示報警模塊,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)蒸發器、吸收器和發生器上增設液囊結構。

在蒸發器和吸收器水盤上增設低于水盤的液囊結構,可將其中的溶液和冷劑水收集,有效防止了蒸發器和吸收器內的溶液、冷劑水在艦船搖擺過程中積聚到其某一端或一側;并將溶液泵、冷劑泵的吸入口分別設置在其液囊底部,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泵吸空。

在發生器兩端分別增設低于發生器的液囊結構,并在液囊底部開設通向溶液熱交換器的濃溶液回流口,發生器中產生的濃溶液可及時收集其中,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生器某一端或某一側而影響濃溶液回流及導致冷劑水污染。

4)改進發生器與冷凝器之間的擋液板結構。

艦船搖擺時,發生器內噴淋的稀溶液流態會發生改變,濃溶液液面也將產生波動,濃溶液液滴易隨水蒸氣進入冷凝器,引發冷劑水污染。因此,為避免發生器中的濃溶液液滴隨水蒸氣進入冷凝器,必須增強發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組采用雙折擋液板設計,效果良好。

5)適度增大制冷量設計裕量。

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

3 結束語

經過 40多年的試驗研究與工程實踐,通過設計合理的機組結構型式、適當增大機組設計制冷量、在機組上設置高效自動抽氣裝置以及在吸收器、蒸發器和發生器上增設液囊結構,溴化鋰吸收式制冷機組逐步滿足了艦船使用條件,溴化鋰吸收式制冷技術在艦船上得到了較好應用,并收到了良好效果。但是,目前艦船上應用的溴化鋰吸收式制冷機組仍存在制冷量衰減后難以恢復和操作人員勞動強度大等問題,應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組上的應用問題;研發新的自動控制技術以滿足機組在冷卻海水溫度急劇變化情況下的正常運行。