潜艇舱室热管理技术

周志杰 董仁义 彭光明 彭文波

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

潜艇舱室热管理技术

周志杰 董仁义 彭光明 彭文波

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

常规潜艇有限的能量供给和潜艇作战需求之间的矛盾仍是制约常规潜艇发展的主要矛盾之一，随着大气环境控制要求的提高，大气环境控制系统的能耗逐渐增大，为了从顶层设计层面协调大气环境控制与能耗之间的矛盾，提出“潜艇舱室热管理”的概念。潜艇舱室热管理即从总体设计角度出发，从功能、能量、控制等方面，全面考虑总体布置、系统结构、部件和环境等相互之间的制约关系，协同控制流动、传热和能量转换利用过程，以实现全系统、全工况最优化，达到提高系统能量利用效率，降低能耗的目的。

潜艇；大气环境；热管理

1 引言

潜艇在水下航行时，舱室处于密闭状态，与外界环境之间没有空气交换 （无法供给新鲜空气）。为了保证艇员及设备的正常工作，必须对舱室大气环境采取人为干预措施，使舱室大气成分和温、湿度处于合理的水平。

潜艇舱室大气环境控制的主要考核指标有温度、湿度、有害气体成分的浓度等，其中温湿度（温度、湿度）是人体最敏感、最易于测量的指标。由于空气温、湿度的变化仅是舱室内空气能量变化的一种表现，舱室温、湿度的任何变化都是舱室内能量转换的结果，因此对舱室空气温、湿度的调节与控制理应成为潜艇能量控制的重要组成部分。

目前，随着潜艇水下潜航时间的延长，对舱室温湿度和大气环境控制的要求越来越高，大气环境控制系统的能耗日益增大，已成为全艇电负荷的大头。因此，如何解决舱室环境控制系统的需求与常规潜艇有限的能量供给之间的矛盾，是常规潜艇发展中面临的难题之一。

2 热管理技术

热管理技术（thermalmanagement）概念是随着空间飞行器大型化提出的，它从系统总体的角度出发，对大型航天器上的热量进行统一分配管理，从而起到优化设计及提高系统功能的作用［1，2］。空间飞行器的发展过程中为了解决有效载荷和舱室温湿度控制之间的矛盾，提出并发展了“热管理技术”，其目标是以最小的能量消耗来控制舱室温度和环境温度，为航天员提供舒适的大气温度和湿度环境，并为其他仪器设备提供排热和加热条件，使其在合适的温度下工作。从本质上讲，热管理技术是提供一个从内部发热源向各散热单元传输热量的有效回路。该回路根据是否存在强制的介质流动，系统可以划分为“被动式热控制技术”、“半被动式热控制技术”和“主动式热控制技术”。如果这个回路设计成无流动介质也无运动部件，就称为“被动式热控制技术”；当为了使热量从温度较高的热源部位向温度较低的散热部位排散而加入活动部件和循环液体时，称为“半被动式热控制技术”；如果使用热泵，使热量在比热源温度还高的部位排散出去，这种热控制技术叫做“主动式热控制技术”。

随着能源消耗与经济发展、生活水平提高的矛盾日益突出，其应用范围也逐渐扩大，并在众多行业中得到成功运用，如汽车设计［3］、高性能内燃机［4］、燃料电池等的设计优化。常规潜艇目前所面临的舱室环境控制和有限的能量之间的矛盾也可以借鉴“热管理”的思路，对全艇设备进行统一管理，对能量进行有效合理分配，从总体设计的角度对全艇能耗和舱室环境进行顶层控制。

3 潜艇舱室热管理技术

参照航天器热管理技术的思路，潜艇舱室热管理技术是指从总体设计角度出发，用定量和定性相结合的方法，从功能、能量、控制和硬件等几个方面，全面考虑系统结构、部件和环境等相互之间的制约关系，协同控制流动、传热和能量转换利用过程，以实现全系统、全工况最优化，达到提高系统能量利用效率，降低能耗的目的。

3.1 舱室热管理的节能原理

根据热力学第一定律“热是能量的一种形式，热能与其它形式的能量相互转换，在转换的过程中遵守能量守恒定律”［5］。潜艇在水下航行时，其舱室一直处于封闭状态，如果忽略其与外界环境的热交换，其舱室环境温湿度的任何变化都是潜艇内各种能量相互转化的结果。例如：机电设备工作时因摩擦发热、高温设备向舱室的传热，电缆发热会引起的舱室温度升高。因此，舱室空气温度升高是潜艇能量转化的一种形式，其最终源头均来自于艇上携带的有限的燃料。

在实际状态下，潜艇与外部环境是可以进行能量交换的，并且为了控制潜艇舱内环境温湿度，一部分多余的热量必须通过某种手段传递到外界环境中，目前这一过程主要通过消耗电能实现，即在能量转化过程中，产生的热量还需要通过消耗电能传递到艇外环境中。

综上所述，潜艇内的任何热量变化都是由于消耗能量而产生的，而且必须通过消耗潜艇的能量而将其带走。因此，如果能够提高设备的能量利用效率，降低设备向舱室散热，则其对潜艇能量的节约将是双倍的。舱室热管理的主要目的就在于对潜艇能量进行综合利用，控制设备、结构物向舱室内的热质传递过程。

3.2 我国潜艇舱室热管理的现状

潜艇舱室热负荷主要由机械设备热负荷构成，作为空调系统重点保障对象的人员产生的热负荷占总热负荷的比例较低。通常电机设备工作时温度较高，直接利用空气冷却，不但增大了空调机组的功率，而且由于存在较大的换热温差造成了冷却过程中的不可逆损失较大，能量的利用水平较低。

目前，我国常规潜艇尚未实施统一的舱室热管理，机电设备的散热也是依靠各自独立的散热系统（设备）。综观其现状基本存在以下两大问题：

1）对于已建立海水冷却系统，由于设备散热量较大或冷却效果不佳，部分热量仍然散发到舱内空气中；

2）大部分设备采用风冷和自然冷却，其热量全部散发到舱室中。

由于以上原因，在机械设备较为集中处，通常温湿度均较高。温度较高的舱室，若直接利用空调进行冷却，不但增大了空调机组的功率，而且由于存在较大的换热温差造成了冷却过程中的不可逆损失较大，能量的利用水平较低。因此，若要从根本上降低空调系统能耗，除对空调系统配置进行优化外，还需对舱室热源和能量进行统一管理，降低舱室热负荷。

3.3 国外潜艇舱室热管理的现状

“基洛”级常规潜艇，由俄罗斯红宝石设计局于上世纪七、八十年代研制，其系统设计中有许多值得借鉴之处。

1）直接利用舷外海水冷却机械设备舱

对于机械设备布置比较集中的舱室配置了可利用舷外温度较低的海水作为冷源的舱室空气冷却器，这些冷却器使用了流量大、压头低的轴流通风机，以满足舱内空气对流的需要。

2）对部分电气设备采用水冷

除采用海水冷却舱室空气外，对于部分散热量较大的电气设备，例如：柴油机配电板、蓄电池开关板等，采用了蒸馏水冷却，即通过舷外海水先冷却蒸馏水，再用蒸馏水冷却电气设备，提高了冷却效率，避免了这些电气设备将热量散发至舱内空气中。

对于欧美其他国家潜艇舱室热管理的技术由于各种原因，所知甚少。据相关报道称，作为世界头号海军大国的美国，为了降低舰船的运行成本、提高性能，正在组织研究舰船节能的相关技术，力争在2020年使美国海军舰船的平均能耗水平相对2006年降低约30%。

4 潜艇舱室热管理技术的实施途径

根据常规潜艇的特点，针对潜艇舱室的热管理技术可分为以下3个层次，可以有针对性地采取措施。

4.1 设备级

舰船上的耗能设备种类多，设计专业面广，对于热管理技术的实施基本可分为以下两类：

1）直接选用低能耗设备

目前，民用机电设备的能耗水平已经成为衡量产品质量的一个重要指标，无论是小型电子产品，还是大型机电设备在降低能耗方面均有非常成熟的技术。因此，可借鉴相关技术在保证满足战术要求的条件下，先针对艇上散热量较大的设备制定相关的能耗标准，并将其逐步推广。这不但可以降低全艇能耗，还可提高我国艇用设备的研制水平，对提高我国常规潜艇的装备技术具有积极意义。

2）利用热管理技术优化设计降低设备能耗

利用热管理的相关理论和技术对设备进行优化设计和改造，降低设备能耗也是热管理技术应用的一种重要方向。

以热力机械为例，其能量转换过程多是：燃料化学能→热能→机械能。在这一转换过程中通常是热能→机械能的环节中能量损失最大。因此，目前国内外对柴油机、燃料电池等的热管理技术优化设计都是针对这一过程而展开。利用热管理技术对大功率汽车柴油机进行优化设计，已在我国开展多年，并已在大型工程机械进行了广泛应用，无论是单机效率还是整车性能都有很大提升。在燃料电池方面，基于热管理技术研制的高功率密度和高效率燃料电池发动机，也得到广泛地应用。

4.2 系统级

在系统设计中，各设备选型都是依靠设备的额定工况（设计工况）进行选型，并适当留有余量，以确保不同状态下的使用需求。但是，在许多情况下系统并非处于额定负荷，甚至会远小于系统的额定负荷，此时若不能对设备进行有效地能量调节，势必降低设备效率，造成能量的浪费。因此，在系统设计中应优化系统配置，采取有效地能量调节措施，提高设备的运行效率。

4.3 总体级

在总体设计中，可根据舱室功能划分和布置状态，合理确定舱室的设计温度，提高空调系统的利用效率。根据功能不同，潜艇舱室可大致划分为机械设备舱和人员居住舱（含指挥舱）。空调系统重点保障对象应为艇员，应主要用于对人员居住舱的空气进行冷却，而机械设备舱通常散热量大、温度高，若采用空调进行冷却即不经济也不现实。其次舷外海水温度通常较低，且随着潜艇工作深度的增加舷外海水温度逐渐降低，因此可利用舷外海水作为冷源对机械设备舱室进行冷却。对于机械设备舱内的战位则可通过盘管空调等方式进行局部降温。

5 潜艇舱室热管理关键技术

潜艇舱室热管理技术的关键在于对舱内的热质流动、转化过程进行有效控制、合理利用。其中涉及如下关键技术：

1）高效紧凑型换热器

无论采用何种方式降低舱室温、湿度，对设备进行冷却都离不开换热器。对于潜艇而言，对于换热器的要求主要在于耐高压、耐腐蚀、高效率。目前，艇上许多换热设备虽然经过长期使用证明具有较高的可靠性，但是在换热效率方面仍有提高的必要性。

在新型换热器方面，热管换热技术已取得了较大的发展，它为低温热源利用、机电设备的冷却提供了有效支持。热管冷板即在此技术上发展起来的一种新型换热设备，它是由若干热管规则排列组成的一种平板状结构的换热器，在平板一面热管内液体吸热蒸发，另一面蒸汽被冷凝成液体，并由于重力或毛细作用力返回到蒸发端继续吸热。由于在热管两端都是相变换热，因此换热系数较高。一般情况下，凝结换热系数为5 000～25 000 W／K·m2，沸腾换热系数为5 000～35 000W／K·m2，相比液体的强制对流换热系数仅为1 000～15 000 W／K·m2［6］和空气强制对流换热系数 100～2 500 W／K·m2有较大提高。较高的换热系数可以使得在较小的换热温差下获得较大的换热量，可以显著提高换热效率，使换热器体积更小。目前，热管冷板在许多领域都得到了广泛的应用，特别是大功率电子设备的冷却，技术日趋成熟。

2）机电设备水冷技术

针对设备冷却方式，主要有风冷和水冷两类。风冷即利用舱内空气对设备进行冷却，设备散发的热量依然在舱内，最终通过空调系统进行冷却。而水冷则直接利用海水或蒸馏水对设备进行冷却，并将设备散热通过海水直接排出舱外。

常温常压下空气比热容为 1.005 k J／k g·K，相同状态下水的比热容为 4.2 k J／k g·K，由于水的比热容远大于空气，单位质量的水所携带的热量远大于空气，而以相同压头输送相同质量的水与空气消耗的能量基本一致。因此，采用水冷技术后可以大幅提高冷却效率，减少设备体积。而且，电机的冷却风扇作为设备的主要噪声源之一，采用水冷技术后可降低冷却风扇的功率甚至取消冷却风扇，对降低设备振动的噪声具有积极影响。

3）舱内空气流动控制

空气的流动是舱内热质传递的重要方式，合理的空气流动可以使舱内温度分布更加均匀，提高环境的舒适性，而不合理的空气流动造成的局部过冷、过热会引起空调系统运行的不稳定，不利于降低系统能耗。特别是在高温舱室，对局部进行冷却降温时，不合理的空气流动会造成冷量的损失，增大能耗。

4）系统优化

除采用高效节能的设备外，如何对设备进行有效地调节，以适应不同工况的需要，提高设备的运行效率，也是降低系统能耗的关键。

对于任何设备，都存在一个合理的工作范围，所谓高效率的设备通常指在该范围具有较高的工作效率，一旦工况点偏离该范围势必造成设备效率的降低。能量调节与控制技术，是指通过优化系统设计和设备匹配，使系统在任何状态下运行时，设备都具有较高的效率。

对于空调系统，由于系统负荷波动很大，若只配置1台制冷压缩机组 （机组按最大热负荷选型），虽然目前的压缩机调节技术可以使机组在一定范围内高效运行，但当系统负荷偏离设计值过大时，则必然造成系统运行效率的降低。若系统配置两台压缩机组，两台机组分别针对系统常用工况和低负荷工况进行选型，则使系统在大部分工况下都具有较高的运行效率。

6 结束语

作为常规潜艇而言，其能量供应是有限的，有限的能量供给和潜艇作战需求之间的矛盾是制约常规潜艇发展的主要矛盾。矛盾是普遍存在的，矛盾也是可以相互转化的，技术处于不断发展变化之中，引起这种发展变化的直接动力源于技术内部的基本矛盾，即技术目标与技术手段的矛盾。潜艇舱室“热管理”的概念是从总体设计层面上将空调系统能耗与舱室大气环境控制需求之间的矛盾最小化，将开启潜艇舱室环境控制的新思路。

［1］ 范含林.载人航天器热管理技术发展综述［J］.航天器工程，2007，16（1）：28-32.

［2］ 沈维道，郑佩芝.工程热力学［M］.北京：高等教育出版社，1983.

［3］ 杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［4］ 徐小平，李劲东.大型航天器热管理系统温度分析［J］.装备指挥技术学院学报，2004，15（2）：63-66.

［5］ 谭建勋，沈瑜铭.工程机械热管理系统试验平台的开发［J］.工程机械，2005，36（1）：41-44.

［6］ 陈德玲，殷承良.混合动力轿车前舱热管理［J］.上海交通大学学报，2006，40（1）：144-147.

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，工程师，硕士。研究方向：潜艇作战系统。E-mail：hkcfan@126.com