溴化锂吸收式制冷技术在舰船上应用研究

李雪亭,崔忠善,姚祺峰

(92330部队装备部,山东青岛 266102)

0 前言

1966年,我国试制成功了第一台单效蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组,随后便开始摸索、研究溴化锂吸收式制冷技术在舰船上应用,并于 1968年制成了船用溴化锂吸收式制冷机组。经过 40多年的试验研究与工程实践,并经不断改进、完善,溴化锂吸收式制冷技术在舰船上得到良好应用,在降低舰船噪音、环境保护等方面发挥了重要作用。

1 主要技术难题

溴化锂吸收式制冷技术研究已近一个世纪,最早为陆用,陆用溴化锂吸收式制冷技术已非常成熟。陆用机组处于整机静止状态,冷却水源固定,维修空间相对宽裕;而舰船用溴化锂吸收式制冷机组随舰船摇摆,其冷却水温度变化频繁,维修空间狭小,甚至处于密闭的舰船舱室内。溴化锂吸收式制冷技术在舰船上应用遇到了如下主要问题。

1)冷剂水易污染。

受潜艇摇摆影响,溴化锂吸收式制冷机组发生器内的浓溶液液面将产生波动,甚至积聚到其某一端或某一侧,易随水蒸气进入冷凝器,进而流入蒸发器,导致冷剂水污染,造成机组制冷量下降。

2)溶液泵、冷剂泵产生吸空现象。

溴化锂吸收式制冷机组溶液泵、吸收泵的吸入口一般设在吸收器与蒸发器的水盘中心位置,受舰船摇摆影响,吸收器和蒸发器水盘内的溶液、冷剂水会积聚到其某一端或某一侧,致使溶液泵和冷剂泵吸入口露出液面,导致溶液泵和冷剂泵吸空,机组运行不稳定。

3)溶液热交换器浓溶液侧易结晶。

当舰船活动到不同海域或不同水深时,冷却海水的温度将随之变化,尤其是潜艇潜浮过程中海水温度变化迅速且呈现阶跃性,甚至无规律;而溴化锂吸收式制冷机组冷却水流量调节信号为吸收器冷却海水出口温度,冷却海水从吸收器海水进口进入后需完成一个热力过程才从出口流出,这使得冷却海水流量调节装置感应到冷却海水温度变化并对冷却海水流量实施调节的动作滞后,自动控制难以实现,但温度降低的冷却海水将使吸收器内的稀溶液温度迅速降低,温度较低的稀溶液在溶液热交换器中与浓溶液进行热交换过程中引发浓溶液结晶。如果冷却海水频繁变化,即使没有导致热交换器浓溶液侧产生结晶,也会使机组运行不稳定。

4)表面活性剂提高机组制冷效率的方法使用受到限制。

在溴化锂溶液中添加辛醇等表面活性剂可显著提高吸收器的吸收效果和冷凝器的冷凝效果,机组制冷量可提高 10%～15%,但辛醇等表面活性剂具有刺激性气味、毒性。充入机组内的辛醇等表面活性剂理论上讲不会外泄,但在机械真空泵抽气时,辛醇等表面活性剂蒸气会与不凝性气体一并被抽出机组外,抽气次数愈多,抽出机组外的辛醇等表面活性剂量就愈大。抽出的辛醇等表面活性剂可能会对舰船狭小空间,尤其是潜艇密闭舱室内的人员造成伤害,因此,添加辛醇等表面活性剂提高制冷量的方法受到了严格限制。

5)机组维修难度大。

舰船空间狭小,特别是潜艇,机组周围留有的维修空间有限,甚至没有维修空间。机组在役维修难度大,尤其是机组密封性排查时,存在不能实施排查的部位,这些部位一旦发生泄漏,将影响机组密封性。

2 技术对策

针对溴化锂吸收式制冷机组在舰船上应用存在的主要技术难题,结合舰船具有摇摆、空间狭小等特性,采取了多种有效技术措施进行改进。主要技术对策如下。

1)优化机组结构型式。

目前,舰船上主要使用的是单筒型单效溴化锂吸收式冷水机组,发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器置于一个筒体内,整个筒体一分为二,形成两个压力区,即上部为发生—冷凝压力区,下部为蒸发—吸收压力区,并通过 U型管节流装置等相连。其结构紧凑、整体密封性好、机组高度低,适宜舰船使用。

2)设计、安装高效的自动抽气装置。

溴化锂吸收式制冷机组运行过程中,内部会产生不凝性气体;且受舰船上的维修条件所限,机组密封性不能得到彻底排查,密封性难以保证。因此,设计高效的自动抽气装置并在舰船用溴化锂吸收式制冷机组上设置,可及时抽出机组内的不凝性气体,确保机组制冷效果和稳定运行。目前,舰船使用的自动抽气装置设有溶液冷却器、贮气室及贮气室压力显示报警模块,有效避免了引射液汽化,极大地提高了抽气效率,也降低了真空泵油的更换频率,延长了真空泵的使用寿命。

3)蒸发器、吸收器和发生器上增设液囊结构。

在蒸发器和吸收器水盘上增设低于水盘的液囊结构,可将其中的溶液和冷剂水收集,有效防止了蒸发器和吸收器内的溶液、冷剂水在舰船摇摆过程中积聚到其某一端或一侧;并将溶液泵、冷剂泵的吸入口分别设置在其液囊底部,从而确保了泵吸入口在舰船摇摆过程中不致露出液面而引发泵吸空。

在发生器两端分别增设低于发生器的液囊结构,并在液囊底部开设通向溶液热交换器的浓溶液回流口,发生器中产生的浓溶液可及时收集其中,并由此流向溶液热交换器,有效避免了舰船摇摆过程中浓溶液积聚在发生器某一端或某一侧而影响浓溶液回流及导致冷剂水污染。

4)改进发生器与冷凝器之间的挡液板结构。

舰船摇摆时,发生器内喷淋的稀溶液流态会发生改变,浓溶液液面也将产生波动,浓溶液液滴易随水蒸气进入冷凝器,引发冷剂水污染。因此,为避免发生器中的浓溶液液滴随水蒸气进入冷凝器,必须增强发生器与冷凝器之间的挡液板效能。目前舰船用溴化锂吸收式制冷机组采用双折挡液板设计,效果良好。

5)适度增大制冷量设计裕量。

随着溴化锂吸收式制冷机组使用时间的延长,其制冷量会发生不同程度的衰减,但由于舰船维修条件限制,难以将衰减的制冷量恢复,从而影响舰船空调效果;另外,舰船活动到海水温度较高海域,尤其是海水温度高于设计温度的海域时,制冷量明显下降,但舰船需求冷负荷却增大。因此,在机组设计时应适度增大制冷量裕量,以补偿机组后续的能量衰减,保障舰船冷负荷需求。目前,舰船使用的溴化锂吸收式制冷机组设计制冷量比舰船额定冷负荷增大了 10%～20%,很好地满足了舰船冷负荷需求。

3 结束语

经过 40多年的试验研究与工程实践,通过设计合理的机组结构型式、适当增大机组设计制冷量、在机组上设置高效自动抽气装置以及在吸收器、蒸发器和发生器上增设液囊结构,溴化锂吸收式制冷机组逐步满足了舰船使用条件,溴化锂吸收式制冷技术在舰船上得到了较好应用,并收到了良好效果。但是,目前舰船上应用的溴化锂吸收式制冷机组仍存在制冷量衰减后难以恢复和操作人员劳动强度大等问题,应尽快研制辛醇等表面活性剂吸附器或新型表面活性剂,解决表面活性剂在舰船溴化锂吸收式制冷机组上的应用问题;研发新的自动控制技术以满足机组在冷却海水温度急剧变化情况下的正常运行。