周志杰 董仁義 彭光明 彭文波

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

潛艇艙室熱管理技術(shù)

周志杰 董仁義 彭光明 彭文波

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

常規(guī)潛艇有限的能量供給和潛艇作戰(zhàn)需求之間的矛盾仍是制約常規(guī)潛艇發(fā)展的主要矛盾之一，隨著大氣環(huán)境控制要求的提高，大氣環(huán)境控制系統(tǒng)的能耗逐漸增大，為了從頂層設(shè)計層面協(xié)調(diào)大氣環(huán)境控制與能耗之間的矛盾，提出“潛艇艙室熱管理”的概念。潛艇艙室熱管理即從總體設(shè)計角度出發(fā)，從功能、能量、控制等方面，全面考慮總體布置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、部件和環(huán)境等相互之間的制約關(guān)系，協(xié)同控制流動、傳熱和能量轉(zhuǎn)換利用過程，以實現(xiàn)全系統(tǒng)、全工況最優(yōu)化，達(dá)到提高系統(tǒng)能量利用效率，降低能耗的目的。

潛艇；大氣環(huán)境；熱管理

1 引言

潛艇在水下航行時，艙室處于密閉狀態(tài)，與外界環(huán)境之間沒有空氣交換 （無法供給新鮮空氣）。為了保證艇員及設(shè)備的正常工作，必須對艙室大氣環(huán)境采取人為干預(yù)措施，使艙室大氣成分和溫、濕度處于合理的水平。

潛艇艙室大氣環(huán)境控制的主要考核指標(biāo)有溫度、濕度、有害氣體成分的濃度等，其中溫濕度（溫度、濕度）是人體最敏感、最易于測量的指標(biāo)。由于空氣溫、濕度的變化僅是艙室內(nèi)空氣能量變化的一種表現(xiàn)，艙室溫、濕度的任何變化都是艙室內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果，因此對艙室空氣溫、濕度的調(diào)節(jié)與控制理應(yīng)成為潛艇能量控制的重要組成部分。

目前，隨著潛艇水下潛航時間的延長，對艙室溫濕度和大氣環(huán)境控制的要求越來越高，大氣環(huán)境控制系統(tǒng)的能耗日益增大，已成為全艇電負(fù)荷的大頭。因此，如何解決艙室環(huán)境控制系統(tǒng)的需求與常規(guī)潛艇有限的能量供給之間的矛盾，是常規(guī)潛艇發(fā)展中面臨的難題之一。

2 熱管理技術(shù)

熱管理技術(shù)（thermalmanagement）概念是隨著空間飛行器大型化提出的，它從系統(tǒng)總體的角度出發(fā)，對大型航天器上的熱量進(jìn)行統(tǒng)一分配管理，從而起到優(yōu)化設(shè)計及提高系統(tǒng)功能的作用［1，2］?？臻g飛行器的發(fā)展過程中為了解決有效載荷和艙室溫濕度控制之間的矛盾，提出并發(fā)展了“熱管理技術(shù)”，其目標(biāo)是以最小的能量消耗來控制艙室溫度和環(huán)境溫度，為航天員提供舒適的大氣溫度和濕度環(huán)境，并為其他儀器設(shè)備提供排熱和加熱條件，使其在合適的溫度下工作。從本質(zhì)上講，熱管理技術(shù)是提供一個從內(nèi)部發(fā)熱源向各散熱單元傳輸熱量的有效回路。該回路根據(jù)是否存在強(qiáng)制的介質(zhì)流動，系統(tǒng)可以劃分為“被動式熱控制技術(shù)”、“半被動式熱控制技術(shù)”和“主動式熱控制技術(shù)”。如果這個回路設(shè)計成無流動介質(zhì)也無運(yùn)動部件，就稱為“被動式熱控制技術(shù)”；當(dāng)為了使熱量從溫度較高的熱源部位向溫度較低的散熱部位排散而加入活動部件和循環(huán)液體時，稱為“半被動式熱控制技術(shù)”；如果使用熱泵，使熱量在比熱源溫度還高的部位排散出去，這種熱控制技術(shù)叫做“主動式熱控制技術(shù)”。

隨著能源消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平提高的矛盾日益突出，其應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，并在眾多行業(yè)中得到成功運(yùn)用，如汽車設(shè)計［3］、高性能內(nèi)燃機(jī)［4］、燃料電池等的設(shè)計優(yōu)化。常規(guī)潛艇目前所面臨的艙室環(huán)境控制和有限的能量之間的矛盾也可以借鑒“熱管理”的思路，對全艇設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，對能量進(jìn)行有效合理分配，從總體設(shè)計的角度對全艇能耗和艙室環(huán)境進(jìn)行頂層控制。

3 潛艇艙室熱管理技術(shù)

參照航天器熱管理技術(shù)的思路，潛艇艙室熱管理技術(shù)是指從總體設(shè)計角度出發(fā)，用定量和定性相結(jié)合的方法，從功能、能量、控制和硬件等幾個方面，全面考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、部件和環(huán)境等相互之間的制約關(guān)系，協(xié)同控制流動、傳熱和能量轉(zhuǎn)換利用過程，以實現(xiàn)全系統(tǒng)、全工況最優(yōu)化，達(dá)到提高系統(tǒng)能量利用效率，降低能耗的目的。

3.1 艙室熱管理的節(jié)能原理

根據(jù)熱力學(xué)第一定律“熱是能量的一種形式，熱能與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中遵守能量守恒定律”［5］。潛艇在水下航行時，其艙室一直處于封閉狀態(tài)，如果忽略其與外界環(huán)境的熱交換，其艙室環(huán)境溫濕度的任何變化都是潛艇內(nèi)各種能量相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果。例如：機(jī)電設(shè)備工作時因摩擦發(fā)熱、高溫設(shè)備向艙室的傳熱，電纜發(fā)熱會引起的艙室溫度升高。因此，艙室空氣溫度升高是潛艇能量轉(zhuǎn)化的一種形式，其最終源頭均來自于艇上攜帶的有限的燃料。

在實際狀態(tài)下，潛艇與外部環(huán)境是可以進(jìn)行能量交換的，并且為了控制潛艇艙內(nèi)環(huán)境溫濕度，一部分多余的熱量必須通過某種手段傳遞到外界環(huán)境中，目前這一過程主要通過消耗電能實現(xiàn)，即在能量轉(zhuǎn)化過程中，產(chǎn)生的熱量還需要通過消耗電能傳遞到艇外環(huán)境中。

綜上所述，潛艇內(nèi)的任何熱量變化都是由于消耗能量而產(chǎn)生的，而且必須通過消耗潛艇的能量而將其帶走。因此，如果能夠提高設(shè)備的能量利用效率，降低設(shè)備向艙室散熱，則其對潛艇能量的節(jié)約將是雙倍的。艙室熱管理的主要目的就在于對潛艇能量進(jìn)行綜合利用，控制設(shè)備、結(jié)構(gòu)物向艙室內(nèi)的熱質(zhì)傳遞過程。

3.2 我國潛艇艙室熱管理的現(xiàn)狀

潛艇艙室熱負(fù)荷主要由機(jī)械設(shè)備熱負(fù)荷構(gòu)成，作為空調(diào)系統(tǒng)重點保障對象的人員產(chǎn)生的熱負(fù)荷占總熱負(fù)荷的比例較低。通常電機(jī)設(shè)備工作時溫度較高，直接利用空氣冷卻，不但增大了空調(diào)機(jī)組的功率，而且由于存在較大的換熱溫差造成了冷卻過程中的不可逆損失較大，能量的利用水平較低。

目前，我國常規(guī)潛艇尚未實施統(tǒng)一的艙室熱管理，機(jī)電設(shè)備的散熱也是依靠各自獨(dú)立的散熱系統(tǒng)（設(shè)備）。綜觀其現(xiàn)狀基本存在以下兩大問題：

1）對于已建立海水冷卻系統(tǒng)，由于設(shè)備散熱量較大或冷卻效果不佳，部分熱量仍然散發(fā)到艙內(nèi)空氣中；

2）大部分設(shè)備采用風(fēng)冷和自然冷卻，其熱量全部散發(fā)到艙室中。

由于以上原因，在機(jī)械設(shè)備較為集中處，通常溫濕度均較高。溫度較高的艙室，若直接利用空調(diào)進(jìn)行冷卻，不但增大了空調(diào)機(jī)組的功率，而且由于存在較大的換熱溫差造成了冷卻過程中的不可逆損失較大，能量的利用水平較低。因此，若要從根本上降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，除對空調(diào)系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化外，還需對艙室熱源和能量進(jìn)行統(tǒng)一管理，降低艙室熱負(fù)荷。

3.3 國外潛艇艙室熱管理的現(xiàn)狀

“基洛”級常規(guī)潛艇，由俄羅斯紅寶石設(shè)計局于上世紀(jì)七、八十年代研制，其系統(tǒng)設(shè)計中有許多值得借鑒之處。

1）直接利用舷外海水冷卻機(jī)械設(shè)備艙

對于機(jī)械設(shè)備布置比較集中的艙室配置了可利用舷外溫度較低的海水作為冷源的艙室空氣冷卻器，這些冷卻器使用了流量大、壓頭低的軸流通風(fēng)機(jī)，以滿足艙內(nèi)空氣對流的需要。

2）對部分電氣設(shè)備采用水冷

除采用海水冷卻艙室空氣外，對于部分散熱量較大的電氣設(shè)備，例如：柴油機(jī)配電板、蓄電池開關(guān)板等，采用了蒸餾水冷卻，即通過舷外海水先冷卻蒸餾水，再用蒸餾水冷卻電氣設(shè)備，提高了冷卻效率，避免了這些電氣設(shè)備將熱量散發(fā)至艙內(nèi)空氣中。

對于歐美其他國家潛艇艙室熱管理的技術(shù)由于各種原因，所知甚少。據(jù)相關(guān)報道稱，作為世界頭號海軍大國的美國，為了降低艦船的運(yùn)行成本、提高性能，正在組織研究艦船節(jié)能的相關(guān)技術(shù)，力爭在2020年使美國海軍艦船的平均能耗水平相對2006年降低約30%。

4 潛艇艙室熱管理技術(shù)的實施途徑

根據(jù)常規(guī)潛艇的特點，針對潛艇艙室的熱管理技術(shù)可分為以下3個層次，可以有針對性地采取措施。

4.1 設(shè)備級

艦船上的耗能設(shè)備種類多，設(shè)計專業(yè)面廣，對于熱管理技術(shù)的實施基本可分為以下兩類：

1）直接選用低能耗設(shè)備

目前，民用機(jī)電設(shè)備的能耗水平已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，無論是小型電子產(chǎn)品，還是大型機(jī)電設(shè)備在降低能耗方面均有非常成熟的技術(shù)。因此，可借鑒相關(guān)技術(shù)在保證滿足戰(zhàn)術(shù)要求的條件下，先針對艇上散熱量較大的設(shè)備制定相關(guān)的能耗標(biāo)準(zhǔn)，并將其逐步推廣。這不但可以降低全艇能耗，還可提高我國艇用設(shè)備的研制水平，對提高我國常規(guī)潛艇的裝備技術(shù)具有積極意義。

2）利用熱管理技術(shù)優(yōu)化設(shè)計降低設(shè)備能耗

利用熱管理的相關(guān)理論和技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改造，降低設(shè)備能耗也是熱管理技術(shù)應(yīng)用的一種重要方向。

以熱力機(jī)械為例，其能量轉(zhuǎn)換過程多是：燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能。在這一轉(zhuǎn)換過程中通常是熱能→機(jī)械能的環(huán)節(jié)中能量損失最大。因此，目前國內(nèi)外對柴油機(jī)、燃料電池等的熱管理技術(shù)優(yōu)化設(shè)計都是針對這一過程而展開。利用熱管理技術(shù)對大功率汽車柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，已在我國開展多年，并已在大型工程機(jī)械進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，無論是單機(jī)效率還是整車性能都有很大提升。在燃料電池方面，基于熱管理技術(shù)研制的高功率密度和高效率燃料電池發(fā)動機(jī)，也得到廣泛地應(yīng)用。

4.2 系統(tǒng)級

在系統(tǒng)設(shè)計中，各設(shè)備選型都是依靠設(shè)備的額定工況（設(shè)計工況）進(jìn)行選型，并適當(dāng)留有余量，以確保不同狀態(tài)下的使用需求。但是，在許多情況下系統(tǒng)并非處于額定負(fù)荷，甚至?xí)h(yuǎn)小于系統(tǒng)的額定負(fù)荷，此時若不能對設(shè)備進(jìn)行有效地能量調(diào)節(jié)，勢必降低設(shè)備效率，造成能量的浪費(fèi)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)配置，采取有效地能量調(diào)節(jié)措施，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。

4.3 總體級

在總體設(shè)計中，可根據(jù)艙室功能劃分和布置狀態(tài)，合理確定艙室的設(shè)計溫度，提高空調(diào)系統(tǒng)的利用效率。根據(jù)功能不同，潛艇艙室可大致劃分為機(jī)械設(shè)備艙和人員居住艙（含指揮艙）?？照{(diào)系統(tǒng)重點保障對象應(yīng)為艇員，應(yīng)主要用于對人員居住艙的空氣進(jìn)行冷卻，而機(jī)械設(shè)備艙通常散熱量大、溫度高，若采用空調(diào)進(jìn)行冷卻即不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實。其次舷外海水溫度通常較低，且隨著潛艇工作深度的增加舷外海水溫度逐漸降低，因此可利用舷外海水作為冷源對機(jī)械設(shè)備艙室進(jìn)行冷卻。對于機(jī)械設(shè)備艙內(nèi)的戰(zhàn)位則可通過盤管空調(diào)等方式進(jìn)行局部降溫。

5 潛艇艙室熱管理關(guān)鍵技術(shù)

潛艇艙室熱管理技術(shù)的關(guān)鍵在于對艙內(nèi)的熱質(zhì)流動、轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行有效控制、合理利用。其中涉及如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）高效緊湊型換熱器

無論采用何種方式降低艙室溫、濕度，對設(shè)備進(jìn)行冷卻都離不開換熱器。對于潛艇而言，對于換熱器的要求主要在于耐高壓、耐腐蝕、高效率。目前，艇上許多換熱設(shè)備雖然經(jīng)過長期使用證明具有較高的可靠性，但是在換熱效率方面仍有提高的必要性。

在新型換熱器方面，熱管換熱技術(shù)已取得了較大的發(fā)展，它為低溫?zé)嵩蠢?、機(jī)電設(shè)備的冷卻提供了有效支持。熱管冷板即在此技術(shù)上發(fā)展起來的一種新型換熱設(shè)備，它是由若干熱管規(guī)則排列組成的一種平板狀結(jié)構(gòu)的換熱器，在平板一面熱管內(nèi)液體吸熱蒸發(fā)，另一面蒸汽被冷凝成液體，并由于重力或毛細(xì)作用力返回到蒸發(fā)端繼續(xù)吸熱。由于在熱管兩端都是相變換熱，因此換熱系數(shù)較高。一般情況下，凝結(jié)換熱系數(shù)為5 000～25 000 W／K·m2，沸騰換熱系數(shù)為5 000～35 000W／K·m2，相比液體的強(qiáng)制對流換熱系數(shù)僅為1 000～15 000 W／K·m2［6］和空氣強(qiáng)制對流換熱系數(shù) 100～2 500 W／K·m2有較大提高。較高的換熱系數(shù)可以使得在較小的換熱溫差下獲得較大的換熱量，可以顯著提高換熱效率，使換熱器體積更小。目前，熱管冷板在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，特別是大功率電子設(shè)備的冷卻，技術(shù)日趨成熟。

2）機(jī)電設(shè)備水冷技術(shù)

針對設(shè)備冷卻方式，主要有風(fēng)冷和水冷兩類。風(fēng)冷即利用艙內(nèi)空氣對設(shè)備進(jìn)行冷卻，設(shè)備散發(fā)的熱量依然在艙內(nèi)，最終通過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。而水冷則直接利用海水或蒸餾水對設(shè)備進(jìn)行冷卻，并將設(shè)備散熱通過海水直接排出艙外。

常溫常壓下空氣比熱容為 1.005 k J／k g·K，相同狀態(tài)下水的比熱容為 4.2 k J／k g·K，由于水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，單位質(zhì)量的水所攜帶的熱量遠(yuǎn)大于空氣，而以相同壓頭輸送相同質(zhì)量的水與空氣消耗的能量基本一致。因此，采用水冷技術(shù)后可以大幅提高冷卻效率，減少設(shè)備體積。而且，電機(jī)的冷卻風(fēng)扇作為設(shè)備的主要噪聲源之一，采用水冷技術(shù)后可降低冷卻風(fēng)扇的功率甚至取消冷卻風(fēng)扇，對降低設(shè)備振動的噪聲具有積極影響。

3）艙內(nèi)空氣流動控制

空氣的流動是艙內(nèi)熱質(zhì)傳遞的重要方式，合理的空氣流動可以使艙內(nèi)溫度分布更加均勻，提高環(huán)境的舒適性，而不合理的空氣流動造成的局部過冷、過熱會引起空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定，不利于降低系統(tǒng)能耗。特別是在高溫艙室，對局部進(jìn)行冷卻降溫時，不合理的空氣流動會造成冷量的損失，增大能耗。

4）系統(tǒng)優(yōu)化

除采用高效節(jié)能的設(shè)備外，如何對設(shè)備進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同工況的需要，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，也是降低系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵。

對于任何設(shè)備，都存在一個合理的工作范圍，所謂高效率的設(shè)備通常指在該范圍具有較高的工作效率，一旦工況點偏離該范圍勢必造成設(shè)備效率的降低。能量調(diào)節(jié)與控制技術(shù)，是指通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備匹配，使系統(tǒng)在任何狀態(tài)下運(yùn)行時，設(shè)備都具有較高的效率。

對于空調(diào)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)負(fù)荷波動很大，若只配置1臺制冷壓縮機(jī)組 （機(jī)組按最大熱負(fù)荷選型），雖然目前的壓縮機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)可以使機(jī)組在一定范圍內(nèi)高效運(yùn)行，但當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷偏離設(shè)計值過大時，則必然造成系統(tǒng)運(yùn)行效率的降低。若系統(tǒng)配置兩臺壓縮機(jī)組，兩臺機(jī)組分別針對系統(tǒng)常用工況和低負(fù)荷工況進(jìn)行選型，則使系統(tǒng)在大部分工況下都具有較高的運(yùn)行效率。

6 結(jié)束語

作為常規(guī)潛艇而言，其能量供應(yīng)是有限的，有限的能量供給和潛艇作戰(zhàn)需求之間的矛盾是制約常規(guī)潛艇發(fā)展的主要矛盾。矛盾是普遍存在的，矛盾也是可以相互轉(zhuǎn)化的，技術(shù)處于不斷發(fā)展變化之中，引起這種發(fā)展變化的直接動力源于技術(shù)內(nèi)部的基本矛盾，即技術(shù)目標(biāo)與技術(shù)手段的矛盾。潛艇艙室“熱管理”的概念是從總體設(shè)計層面上將空調(diào)系統(tǒng)能耗與艙室大氣環(huán)境控制需求之間的矛盾最小化，將開啟潛艇艙室環(huán)境控制的新思路。

［1］ 范含林.載人航天器熱管理技術(shù)發(fā)展綜述［J］.航天器工程，2007，16（1）：28-32.

［2］ 沈維道，鄭佩芝.工程熱力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1983.

［3］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］ 徐小平，李勁東.大型航天器熱管理系統(tǒng)溫度分析［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，15（2）：63-66.

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Thermal Management of Submarine Cabins

Zhou Zhi－jie Dong Ren－yi Peng Guang－ming PengWen－bo
China Ship Developmentand Design Center， Wuhan 430064， China

O ne of themajor constraints on the developmentof the conventional submarines is balance between the limited energy supply and the increas ing energy desire.As the requirement of atmosphere control is becoming strict， the energy consumed by the environmental control system is increasing.In order to coordinate the contradiction between the atmospheric environment system and the energy consumption，this paper propose d a concept named ＂thermalmanagement of submarine cabin＂.Based on the overall design， from the point of view of function， the energy and the control on the constraints among general arrangement，system construction，components and environment，etc.were fully considered.Through the co－controlling o f flow， heat transfer and energy transformation， the optimization can be achieved on the whole system under allworking conditions so as to increase the energy utilization for the air control system and decrease the energy consumption.

submar ine；a tmospheric environment； t hermalmanagement

U664.83

A

1673－3185（2010）01－56－04

2008-06-04

周志杰（1979-），男，工程師，碩士。研究方向：潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)。E-mail：hkcfan@126.com