1. 引言
对于AIP装置潜艇，在水下以7.5节的速度航行，若把尾气直接排放舷外，海水中会产生340 m左右长度的气泡带，留下航迹和化学信号，隐蔽性则荡然无存 [1] ；另一方面，受海水背压的制约，尾气排放对发动机的性能效率会有影响 [2] 。所以，尾气处理系统(exhaust treatment system, ETS)尤为重要。在各种设计中，海水吸收法最有潜力，如图1，由喷淋冷却器(water cooling tower, WCT)、旋转床吸收器(rotating bed absorber, RBA)和水管理系统(water management system, WMS)三部分组成。
当系统运行时，主要是尾气和海水的交换流动。海水首先由水管理系统进入，分两部分流入喷淋冷却器和超重力旋转床，最后海水汇集经水处理系统排至舷外。考虑到溶解度受温度影响，尾气首先在喷淋冷却器中降温到80℃~120℃，与间壁式冷却方式相比，这样具有冷却效率高、体积小的优势；然后气体进入超重力场旋转床吸收器，溶于海水，其效率高，体积小，适于在晃动的潜艇平台上使用 [3] ；最后，溶有CO2的海水进入水管理系统，在耐压泵的作用下排出潜艇。
尾气处理系统的功率占AIP装置有效输出功率的比例较小，没有明显的气泡尾迹和外温度场变化，隐蔽性能优良，而且不受海水深度的影响。尾气中的CO2被吸收后，不溶于海水的N2和O2则返回系统参与再循环，以降低潜艇负载，增大续航力。
2. 结构分析
2.1. 水管理系统
如图2，英国Carlton公司的水处理系统主要包括由两个活塞1、2和两个转换阀1、2以及由两个水泵A、B组成的动力源装置 [4] [5] 。在左方状态中，转换阀1、2的位置正好使活塞1的进出口与舷外新鲜海水相通，而活塞2与CO2吸收器相通。水泵B将艇外海水泵入活塞1的下方，推动活塞将上方溶有CO2的海水排出舷外；同时，活塞2在水泵A的作用下，将吸收器中溶有CO2的海水泵入活塞2的上方，活塞向下移动，将转换阀2中的新鲜海水送入吸收器。当活塞1运动到最高端，而活塞2运动到最低端时，转换阀1、2同时切换，将管路切换到右方状态。转换阀1、2的位置正好使活塞1的进出口与
Figure 1. Structure schematic of the exhaust treatment system
图1. 尾气处理系统结构示意图
Figure 2. Fundamental diagram of the water management system
图2. 水处理系统工作原理图
吸收器相通，而活塞2与舷外海水相通。水泵B将舷外海水泵入活塞2的下方，推动活塞将上方溶有CO2的海水排出舷外；同时，活塞1在水泵A的作用下，将吸收器中溶有CO2的海水泵入活塞1的上方，活塞向下运动，将新鲜海水送入吸收器。当活塞2运动到最高端，且活塞1同时运动到最低端时，转换阀1、2同时切换，将管路又切换回左方状态。如此循环，实现了艇外新鲜海水不断被送入吸收器，而吸收器中溶有CO2的海水不断被排出艇外。
由WMS的工作原理可知，主要有以下三个优点：
1) 无论系统管路处于哪个状态，活塞两端的海水压力差很小，若实现水管理系统的运行，只需以较小的功耗克服活塞机构的磨擦和管路的阻力，即水泵A、B的做功足够使海水自由交换；
2) 整个水管理系统在海水中可以看作出于同一深度，无论下潜多深，水泵排水消耗的能量基本相差不大，即系统工作不受海水深度的影响；
3) 潜艇外部水压不会影响内部回路的低水压，因而海水由水管理系统进入后，可以转化为内部回路的低压海水，在艇内使用。
2.2. 喷淋冷却器
喷淋冷却器是尾气进入处理系统的第一站，海水与尾气直接接触，利用汽化潜热，实现对尾气的降温，同时降低排气噪声，增强潜艇隐身性能。
直接接触的喷淋冷却器有很多种，按有无填料可以分为有填料喷淋冷却器和无填料喷淋冷却器；按气液流向可以分为并流式喷淋冷却器、逆流式喷淋冷却器和错流式喷淋冷却器。
传统的冷却器大多采用填料式，填料容易老化、堵塞，从而导致降温不均匀，影响设备的性能和寿命。相对而言，无填料的冷却器有很多优势。采用低压高效的雾化装置，以先进的分散理论代替传统的成膜理论，增大接触面积，降低压损，能够迅速以汽化潜热带走热量，同时结构简单，可靠性较高，运行经济。
因此，在艇内最适合采用错流式无填料喷淋冷却器，优化喷水管设计，使水气直接接触换热 [6] 。在尾气温度较高处设计多圈环状喷嘴，海水由喷嘴喷出时被雾化，比表面积较大，以便在高温尾气中迅速吸收大量热量，使尾气降温。
2.3. 旋转床吸收器
旋转床吸收器，即超重力旋转床，如图3所示，主要包括外壳、转子、转轴和电机。在这些器件中，最核心部分是转子，大多由多孔填料构成，通过转轴与电机连接，以每分钟成百上千转的速度旋转，实现气液的充分接触 [7] 。
超重力旋转床的样式很多，主要在于转子不同，按转子结构形式来说，可以分为填料式旋转床、碟片式旋转床、螺旋式旋转床和折流式旋转床。
其中，艇内适合采用折流式旋转床，结构简单，可靠性高，气液融合时间得到了延长，效率更高。同时，其液相进料灵活，可以多股中间进料，大大提高了理论板数，使尾气处理更加可靠，保证了潜艇的安全性。
3. 系统定性分析
对于尾气系统来说，影响其性能的参数主要有尾气性质参数和装置运行参数，主要表现参数为流经尾气处理系统的海水流量和系统功耗。
3.1. 旋转床吸收器转速变化的影响
旋转床吸收器的转速与其性能紧密相关。
当转速增加时，喷淋冷却器需要的海水流量不变，旋转床吸收器需要的海水流量逐渐减少，并且远远大约喷淋海水量，系统总流量也就减少。这是因为，转速增大时，动圈的离心力增大，气液交换更加充分，性能显著提高，所需海水量大大减少。
随着转速的增大，为了保持产生足够的离心力，旋转床吸收器的功耗逐渐增大，但由于海水流量逐渐减小，所以水管理系统的功耗减小。两者功耗此增彼减，总体来说，尾气处理系统的总功耗先减小后增大，在某一转速附近时，功耗最小，所以将旋转床吸收器的转速设定在这个范围区间最有利。
1——气体入口，2——转子，3——液体入口， 4——气体出口，5——外壳，6——液体出口，7——喷嘴
Figure 3. Structure chart of rotating bed absorber
图3. 旋转床吸收器结构图
3.2. CO2流量变化的影响
尾气处理系统有两个功能，一方面是为了吸收尾气中的CO2，另一方面是为了使尾气降温，减小红外辐射，以增强潜艇的隐蔽性，CO2的流量变化与系统性能的变化关系是一个重要的研究方向。
高温尾气的能量相对于水的汽化潜热而言微不足道；后者变化很大，随着尾气中CO2流量的变大，为了充分吸收，所需海水流量也快速增加。随CO2流量的增加，旋转床吸收器的功耗也升高，因为所需海水流量变大，水管理系统的工作量变大，功耗上升，尾气处理系统的总耗能也相应增加。
3.3. 尾气初始温度变化的影响
尾气在喷淋冷却器中被降温，改变初始温度只是对喷淋冷却器产生了影响。随着温度的上升，气液交换的能量增大，喷淋冷却器所需的海水增多，而旋转床吸收器所需的海水流量不变。前者的流量相对后者而言，可以忽略不计，所以总的海水流量，即通过水管理系统的海水流量几乎不变。
耗能方面的变化情况，和海水流量方面一样。旋转床吸收器的功耗不变，因为总的海水流量几乎不变，所以水管理系统的功耗也几乎不变，尾气处理系统总耗能的变化情况可以忽略不计。
3.4. 尾气初始压力变化的影响
尾气的压力变化，即CO2分压变化，会引起海水中的溶解度发生变化，从而旋转床吸收器所需的海水流量发生改变。随着尾气压力的升高，喷淋冷却器所需的海水流量不变，而流经旋转床吸收器和水管理系统的海水减少。
随着压力的上升，因流经两者的海水流量都减小，所以功耗也相应减小，尾气处理系统的总功耗也减小。
4. 结论
对于AIP潜艇而言，都存在着共同问题——如何排放尾气，除了对隐蔽性的考虑，另一方面，受海水背压的制约，尾气排放对发动机的性能效率会有影响，所以尾气处理系统尤为重要，须专门设计。
本文介绍了潜用尾气处理系统的结构，并简单做了定性分析，当发动机工况一定，即尾气流量一定时，使旋转床转速在某一工况范围，且相应提高尾气的初始压力，可以有效减少海水的使用量，使尾气处理系统的功耗最低。
资助信息
国防科技创新特区项目(17-163-13-ZT-008-033-01)；湖北省协同创新基金项目(HX2015B1003)。