¿Qué es un submarino AIP?
Celda de combustible de motor diésel Stirling de ciclo cerrado
Prólogo
Para aumentar la sumergibilidad de los diésel-eléctricos convencionales submarinos Tiempo de resistencia y distancia, reduce la tasa de exposición del snorkel Para aumentar el tiempo y la distancia sumergibles de los submarinos diesel-eléctricos convencionales, reduce la tasa de exposición del snorkel y mejora la efectividad de combate de los submarinos convencionales, los más importantes del mundo. Potencias navales como Alemania, Reino Unido, Suecia, Países Bajos, etc. Todas están desarrollando vigorosamente submarinos híbridos diésel-eléctricos con plantas de energía independientes del aire (AIP). [1].AIP) submarinos híbridos diésel-eléctricos, como Alemania, Reino Unido, Suecia, Países Bajos, etc. [1]. [1].
Al observar la historia de desarrollo y la situación actual de AIP en el mundo, podemos elegir entre las siguientes soluciones AIP: motor diésel de ciclo cerrado (CCD) AIP, motor Stirling (SE) AIP y AIP de pila de combustible (FC) Estas soluciones han sido adoptadas por potencias navales [1]. Por ejemplo, el Reino Unido, los Países Bajos, etc. han adoptado la solución CCDAIP, Suecia y otros han adoptado la solución CCDAIP, y Alemania ha adoptado. la solución SEAIP, que actualmente es la más potente del mundo, la solución AIP más rentable. plan SEAIP y Alemania adoptó el plan FCAIP.
Este artículo presenta la composición y los principios de funcionamiento de tres dispositivos AIP, analiza y compara las características de varias soluciones AIP y presenta opiniones sobre el desarrollo de AIP para submarinos convencionales en mi país.
La composición de varios principios y dispositivos de la tecnología AIP
Motor diésel de ciclo cerrado AIP (CCDAIP)
Este sistema utiliza un motor diésel de ciclo cerrado como generador principal. motor. Para que un motor diésel funcione sin suministro de aire, se le debe proporcionar una admisión de aire que simule la composición del aire para que el motor diésel se encienda y queme. Para ello, una parte del gas de dióxido de carbono es absorbida por el absorbente de dióxido de carbono en los gases de escape descargados del motor diésel, y se añade una cantidad adecuada de oxígeno a la parte no absorbida de los gases de escape para formar una atmósfera artificial. Sin embargo, dado que el contenido de CO2 en esta atmósfera artificial es siempre mayor que el del aire fresco, el valor calorífico específico de la atmósfera artificial es menor que el del aire normal para garantizar que el motor diésel estándar general funcione normalmente en un ambiente cerrado. En el estado del ciclo, el gas recirculado generalmente se agrega una cantidad adecuada de gas monoatómico argón para que el valor de calor específico de la mezcla de la atmósfera artificial sea el mismo que el del aire normal. De esta manera, el motor diésel puede funcionar normalmente no sólo en un estado de ciclo cerrado, sino también en un estado de suministro de aire abierto, logrando una coordinación abierta y cerrada. Para absorber eficazmente el CO2 en el escape del motor diésel, los gases de escape con una temperatura de 350 a 400 °C y una presión de 0,2 a 0,5 Mpa deben primero enfriarse por aspersión a 80 a 100 °C. Luego, el gas de escape enfriado se introduce en el absorbente de agua de mar de CO2, de modo que el agua de mar pueda disolver y absorber completamente el gas CO2, y una pequeña cantidad de otros componentes del gas pueda absorberse en el absorbente. Los gases de escape así "lavados" entran en la cámara de mezcla y se mezclan con oxígeno y argón para su reciclaje. El agua de mar que contiene grandes cantidades de dióxido de carbono se descarga al mar a través del sistema de tratamiento de agua de mar (WMS). El sistema de tratamiento de agua de mar utiliza la energía de aguas profundas sin consumir más energía y descarga agua de mar con menor presión (2~5 bar) en aguas profundas (30 bar, por ejemplo, si se bucea a 300 metros), mientras que el consumo de energía de la bomba de agua Sólo se utiliza para superar la resistencia al flujo, por lo que consume menos energía y todo el dispositivo es más eficiente.
Para que todo el sistema AIP funcione de manera coordinada, se configura un sistema de control por computadora para controlar el caudal de agua de mar, el suministro de oxígeno, etc. del sistema de tratamiento de agua, de modo que todo el sistema AIP funcione de manera coordinada. El sistema puede adaptarse a los cambios en la carga del motor diésel y a la profundidad de inmersión del submarino, garantizando que funcione con normalidad.
Para garantizar el suministro de oxígeno, CCDAIP ha instalado un tanque de oxígeno líquido de gran capacidad (temperatura de almacenamiento de oxígeno líquido -180°C). Debido a que el consumo de gas argón es muy pequeño, sólo unas pocas botellas de gas argón con volúmenes pequeños son suficientes para el dispositivo AIP.
Motor Stirling AIP (SEAIP)
El motor Stirling AIP utiliza una máquina Stirling independiente del aire (motor Stirling) como motor principal del generador. El motor Stirling es un motor de combustión continua calentado externamente. Utiliza gas de combustión externa a alta temperatura para calentar el fluido de trabajo en circulación interna a través del tubo de calentamiento (los motores Stirling marinos generalmente usan helio como fluido de trabajo en circulación). La expansión térmica del fluido impulsa al pistón a realizar trabajo, lo que hace que el motor genere potencia en el eje.
Para que el motor funcione continuamente sin condiciones de aire, también es necesario suministrar continuamente oxígeno y calor para la combustión, por lo que SEAIP también está equipado con un tanque de oxígeno líquido de mayor capacidad. Para eliminar los gases de escape de la combustión, existen dos métodos para elegir. Una es utilizar la presión de los gases de escape para descargar directamente al agua de mar por la borda. Este método requiere una presión de combustión alta (alrededor de 30 bar). El O2 no quemado se descargará directamente al agua de mar con los gases de escape, lo que dará como resultado gas O2 no quemado. burbujas de gas CO2 sin disolver a la superficie del mar. Otro método consiste en equipar un absorbente de agua de mar de O2 de refrigeración de los gases de escape y un sistema de gestión de agua (como un sistema CCDAIP). Este método es más complicado que el método de descarga directa de los gases de escape, pero puede reducir la presión de combustión y la combustión no. Afectado por la profundidad de buceo no se producirán marcas de burbujas y la ocultación es mejor.
¿Pila de Combustible FC (FCAIP)...?
La pila de combustible que se ha instalado en los barcos para pruebas en el mar en Alemania es una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno. Su principio de funcionamiento básico es depender de la reacción del hidrógeno y el oxígeno para generar directamente energía eléctrica y hacerlo. Su único subproducto es el agua. Este proceso es justo lo contrario del proceso de división del agua mediante electrólisis. La pila de combustible debe suministrar continuamente hidrógeno y oxígeno. Por esta razón, el dispositivo AIP no solo debe tener un tanque de almacenamiento de oxígeno líquido de gran capacidad, sino también un tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido de gran capacidad, y las condiciones de almacenamiento de hidrógeno líquido son más altas. que los del oxígeno líquido mucho más.
2 Comparación de las ventajas y desventajas de la tecnología AIP para los tres principales submarinos del mundo
Análisis de las características de tres AIP
CCD-AIP, el diésel El motor en sí apenas requiere mejoras importantes, la tecnología principal está madura y otros problemas del sistema auxiliar no son graves, como la mezcla de gases en circulación, el enfriamiento por aspersión de los gases de escape, etc. , Principio de absorción de agua de mar de CO2, principio del sistema de tratamiento de agua, etc., unidades relevantes. Se han realizado investigaciones y no existen riesgos técnicos importantes. Por lo tanto, desarrollar CCDAIP puede obtener la tecnología de mi país lo antes posible y alcanzar el nivel de industrialización con bajos riesgos técnicos y baja inversión (por ejemplo, introducir un CCD solo cuesta 1,5 millones de dólares estadounidenses). Por supuesto, en términos relativos, el ruido estructural y el ruido del aire del motor diésel en sí son relativamente grandes, pero la tecnología moderna de aislamiento de vibraciones puede hacer que los indicadores de ruido del motor diésel cumplan con los requisitos mediante el aislamiento de vibraciones. Debido al bajo consumo de energía del sistema de tratamiento de agua, la eficiencia del sistema CCDAIP puede alcanzar el 35%.
El motor principal SE-AIP es un motor Stirling. La combustión continua externa calienta la masa para realizar trabajo. Por lo tanto, el ruido de la estructura y el ruido del aire son menores que los de un motor diésel. característica. Actualmente, nuestro país ha desarrollado un prototipo del principio Stirling de 75 kilovatios con una eficiencia del 35%. En comparación con los motores diésel, su eficiencia es ligeramente menor y todavía existe una gran brecha con su madurez tecnológica. La confiabilidad de su trabajo debe probarse más a fondo. Todavía existen problemas técnicos difíciles que deben resolverse aún más, como los materiales del calentador de alto rendimiento, la uniformidad de la temperatura de funcionamiento del cabezal del calentador, la uniformidad del flujo de la pieza de trabajo, el sellado de la pieza de trabajo, la regulación de potencia, la presión de combustión, etc. Por lo tanto, en comparación con CCDAIP, el desarrollo de SEAIP debe implicar una inversión mayor (por ejemplo, la introducción de un motor calefactor requiere 3 millones de dólares y la cavidad requiere 100 millones de dólares), y los riesgos técnicos son mayores. Se dice que después de que Corea del Sur introdujo el motor sueco Stirling, creyó que entre el 40% y el 70% de las piezas no podían ser producidas por sí misma. Como resultado, el plan SEAIP fue rechazado. También se informa que Australia compró un motor de gas caliente de Suecia para realizar pruebas de evaluación, pero no logró alcanzar la potencia nominal en tres meses y fue rechazado. En consecuencia, el ciclo de desarrollo de SEAIP también se ampliará.
Las pilas de combustible tienen la relación energía-peso más alta, alta eficiencia (hasta 50%-60%), casi no emiten gases de escape y pueden navegar silenciosamente. Pero almacenar hidrógeno líquido en submarinos es un gran problema técnico. Al mismo tiempo, debido a que el hidrógeno es explosivo e inflamable, existen requisitos estrictos para la seguridad del uso del hidrógeno. Las membranas del dispositivo deben importarse de los Estados Unidos y las capacidades de producción nacional aún no están disponibles. Se puede ver que la tecnología de pilas de combustible es difícil y los requisitos de base industrial son altos. Para hacer que las pilas de combustible montadas en vehículos alimenten AIP se requieren altas reservas técnicas, y el nivel de investigación de mi país sobre pilas de combustible es todavía relativamente bajo. Por lo tanto, si se desarrolla el FCAIP, el ciclo de desarrollo será largo (se estima que durará al menos entre 10 y 15 años) y la inversión también será enorme. Por ejemplo, la introducción de una pila de combustible de 5 kilovatios costará 30.000 dólares y su desarrollo. usted mismo costará al menos 100 millones de yuanes. Al mismo tiempo, existen riesgos técnicos.
Lo anterior es una evaluación integral de los indicadores de desempeño de los tres tipos de AIP. Si el que tiene el mejor desempeño se establece como "bueno", el que tiene un desempeño moderado se establece como "medio". y el de peor desempeño se establece como "pobre" (Nota: "Diferencia"). "(Nota: "Deficiente" no significa que el desempeño no pueda cumplir con los requisitos de los submarinos, solo significa que los tres AIP son "malos"). Si el desempeño de dos o tres AIP no puede distinguir ventajas obvias, ambos son "Buenos". " o "Medio". Los resultados de la comparación son los siguientes:
Tabla 13 Evaluación del índice de rendimiento AIP Índice de rendimiento de la solución AIP CCDAIP SEAIP FCAIP Resistencia media buena Profundidad de inmersión media media buena bajo nivel de ruido pobre media mejor Buena disipación de calor por la borda Moderado Bueno Costos de desarrollo Moderado Bueno Costos de operación Moderado Buena Seguridad del equipo. Los requisitos "silenciosos" de los submarinos convencionales después de la reducción de vibraciones y ruidos. Además, el costo de desarrollo es bajo, el ciclo es corto, el riesgo es pequeño y los resultados son rápidos. Por lo tanto, es nuestra responsabilidad estudiar CCDAIP en profundidad y avanzar. Lo más importante a lo que se debe prestar atención es que SEAIP, que debe desarrollarse primero, también tiene una cierta base técnica en nuestro país. Una vez que la tecnología esté madura, el rendimiento del envío será mejor, por lo que también existe la posibilidad. del desarrollo de pilas de combustible AIP debido a los altos riesgos de desarrollo, los altos costos y el ciclo largo, aunque tiene un rendimiento excelente, las perspectivas de aplicación recientes están muy restringidas por las condiciones prácticas, pero es el factor más importante en el desarrollo futuro. de AIP, sin embargo, también es la dirección principal del desarrollo futuro, y deberíamos hacer un buen trabajo en el seguimiento técnico.
Es concebible que si se utiliza la tecnología de motores diésel existente para llevar a cabo la investigación experimental del CCDAIP. No solo se puede desarrollar rápidamente el motor diésel de ciclo cerrado, sino que también se pueden desarrollar experimentalmente sistemas auxiliares como absorbentes de dióxido de carbono, sistemas de tratamiento de agua, etc. De esta manera, los sistemas principal y auxiliar se pueden desarrollar simultáneamente. , y la realización de submarinos AIP no será algo lejano.
También cabe señalar que el desarrollo de CCDAIP ha promovido el trabajo de investigación de SEAIP lo antes posible debido a la disolución y emisión de dióxido de carbono de CCDAIP. Tecnología, la tecnología de almacenamiento de oxígeno líquido se puede trasplantar a SEAIP. Por lo tanto, el desarrollo exitoso de CCDAIP en un corto período de tiempo puede promover el desarrollo de SEAIP.
En resumen, de acuerdo con la situación internacional y circundante actual. En el entorno del AIP submarino convencional de mi país, el equipo submarino convencional AIP es una tendencia de desarrollo inevitable. Sin embargo, el AIP es una tecnología de alta tecnología y de vanguardia, y es probable que se restrinja la dependencia total de las importaciones. de AIP, especialmente CCDAIP, debería acelerarse lo antes posible, y debería intensificarse la investigación sobre sistemas AIP equipar barcos reales lo antes posible para aprovechar al máximo la potencia de los submarinos convencionales.