CN112267937B - 船舶轮机结构散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶轮机结构散热装置，包括板式换热器。板式换热器上固定连接有热端进水管、热端出水管；热端进水管、热端出水管均与热端水箱连接，热端进水管、热端出水管、热端水箱、板式换热器组成闭合水路；板式换热器上固定连接有冷端进水管、冷端出水管；冷端进水管上固定连接有气液混合器；气液混合器分别与冷端进水管、空气压缩机相连。本发明能够对船舶主、副机的温度进行快速、稳定的调节，去除换热器内沉积污垢，以及回收、利用船舶轮机的多余热能并提升利用效率。

Description

船舶轮机结构散热装置
技术领域
本发明涉及一种散热装置，具体涉及一种船舶轮机结构散热装置。
背景技术
作为船舶动力装置非常重要的组成部分，船舶散热***的功能好坏直接影响船舶主机和副机的工作性能。船舶散热***对船舶动力装置的合理冷却，能够减轻船舶主、副机的磨损，有效控制主、副机受到的低温腐蚀、高温腐蚀并减小热应力。保持船舶主、副机的工作温度在最佳的温度范围内，对于提高船舶动力装置的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量，增强工作平稳性，都有重要的意义。
为了确保船舶主、副机的工作温度在最佳的温度范围内，现有的技术方案大多是通过改变散热***中高温水体与低温水体的流量比来实现。以半封闭式冷却***为例，通常用淡水来冷却船舶轮机中的高温部件，如主机缸套，再用海水来冷却淡水。当主机温度超出最佳温度范围时，根据散热***中海水温度的变化，调节流入散热***中的海水量，通过这种调节能够迅速降低淡水温度，进而提升淡水对主机缸套的换热效果，从而实现对船舶主机工作温度的控制。
这种对海水流量的控制，通常由海水泵实现。海水泵大多设置在船舶的机舱中，当需要控制海水流量时：一是可以选择人工调节海水泵的出口开度，因为通常的海水泵出口开度仅为全开状态的1/5左右，因此具备较大的调控的空间；二是可以通过变频调速电机对海水泵进行多速控制，当然，也可选择通过将多个功率不同的海水泵按一定方式组合，从而调节海水的流速。但这种技术方案存在的技术问题是，不能实现对船舶主、副机的温度进行快速、稳定的调节，同时，由于海水泵通常设置在远离散热***的位置，尤其是远离散热***中的主要换热部件，因此这种调节具有一定的滞后性，极易发生温度超调的情况，从而影响到船舶主、副机的性能和寿命。
另外，船舶轮机所产生的多余热能，通过船舶散热***直接交换至海水中或空气中，存在能源浪费的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶轮机结构散热装置，具有对船舶主、副机的温度进行快速、稳定的调节，去除换热器内沉积污垢，以及回收、利用船舶轮机的多余热能实现节能并提升利用效率的技术效果。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种船舶轮机结构散热装置，包括板式换热器。板式换热器上设置有热端进水口，热端进水口上固定连接有热端进水管；板式换热器上设置有热端出水口，热端出水口上固定连接有热端出水管；热端进水管、热端出水管均与热端水箱连接，热端进水管、热端出水管、热端水箱、板式换热器组成闭合水路；板式换热器上设置有冷端进水口，冷端进水口上固定连接有冷端进水管；板式换热器上设置有冷端出水口，冷端出水口上固定连接有冷端出水管；冷端进水管、冷端出水管、板式换热器组成水路；冷端进水管上固定连接有气液混合器，冷端进水管被气液混合器分割为前、后两段，冷端进水管的后段与板式换热器相连；气液混合器设置有进水口、进气口、出水口，进水口与冷端进水管的前段相连，出水口与冷端进水管的后段相连，进气口与空气压缩机相连。
本发明采用的散热***为半封闭式冷却***，热端进水管、热端出水管、热端水箱与板式换热器一起组成闭合水路，主要是用来冷却船舶轮机中的高温部件，热端液体经换热升温，进入到板式换热器，而后通过板式换热器的波纹板片将热量传递给冷端液体，完成换热循环。
此外，冷端进水管上安装有气液混合器，本发明利用该气液混合器将空气压缩机压缩的气体注入冷端进水管内，并随着冷端液体的流动进入到板式换热器内。本发明所使用的气液混合器为现有技术，具体的设计有很多，以公开号为CN103316603B的现有技术为例，该气液混合器设置有进水口、进气口及出水口，进水口与出水口之间设有混合腔，利用混合腔实现液体和气体的混合，并可使水中的气体浓度维持在一定的比例上。
通过冷端进水管向板式换热器内注入空气提升传热系数，主要是利用气液两相流的特性。具体而言，就是与液体单相流相比，气液双相流具备更好的传热系数。一方面是基于气体的扰动作用，既能增加两相流的湍流强度，又能降低波纹板片上的热边界层的厚度，从而增大传热系数；另一方面气相和液相充分混合形成的泡状流，进入到板式换热器的狭窄流道内时，由于气泡空间受到限制，使得气泡破碎形成小气泡，气泡破碎的过程中会产生能量损失，而损失的这部分能量会冲击工质所在的温度场，从而使温度梯度的分布更加均匀，从而更加利于传热。此外，通过控制空气压缩机向板式换热器内注入的空气数量，可调整流道内气相雷诺数与液相雷诺数之比，可使板式换热器获得不同大小的传热系数，解决对冷却水温度超调的技术问题。
另外，如前所述，气液两相流能够增加湍流强度，而湍流强度的增加意味着流体对水垢表面的剪切力也得到增强，此外，气泡的破碎还能够对波纹板片，尤其是板片表面附着的水垢产生冲击。从而实现对波纹板片表面水垢的剥离，使本发明能够在提升板式换热器换热性能的同时，去除板式换热器内部的水垢，减轻沉积水垢对板式换热器的不利影响。
优选地，热端进水管和/或热端出水管上安装有第一泵，第一泵的数量至少为一个；冷端进水管的前段上安装有第二泵。
由于端进水管、热端出水管、热端水箱与板式换热器一起组成闭合水路，安装在闭合水路上的第一泵作为循环泵使用，其具体的安装位置可以在热端进水管上，也可以在热端出水管上，但应确保方向与水流方向一致；而第二泵则应当安装在冷端进水管上，将冷端的液体泵入板式换热器内，以扬程为目的，是一种高压泵。
优选地，热端进水管为圆管，其外侧包裹有异型管，异型管与热端进水管同心；异型管的横截面为正多边形；热端进水管与异型管的配合方式为过盈配合；异型管外侧包裹有温差发电装置。
热端进水管外包覆内圆外正多边形的异型管，主要是因为实现温差发电的组件大多采用板片的形状，如本发明使用的温差发电片，而圆管不利于板片的包覆以及热能的传递。异型管的结构可以为实心，也可以自带内腔，或与热端进水管围成闭合内腔。当异型管自带内腔或配合围成空腔时，可向内注入导热油。当然，无论是实心管亦或是空腔内存在导热油，都是为了将热端进水管内液体的热量有效传递至温差发电装置的热端。在散热装置上安装温差发电装置，一方面是对轮机余热进行有效利用，而另一方面则是在热端液体进入板式换热器前，通过温差发电装置的吸热功能，对其先行降温，进一步提升散热装置整体的换热能力。
优选地，温差发电装置由温差发电单元组成，温差发电单元的数量与异型管的横截面的边数一致；温差发电单元以热端进水管为中心，由内向外依次由温差发电片、冷板、散热翅片组成，均为平行设置且相邻的两部件之间为面接触；温差发电装置内的温差发电片全部采用串联的连接方式；温差发电片与异型管为面接触，且温差发电片的热端靠近热端进水管。
本发明中的温差发电装置主要是通过温差发电片进行发电。而温差发电片则是通过热电技术，利用温差电材料实现热能与电能之间的转化，是一种现有技术。温差电材料是一种利用固体内部载流子的运动实现电能和热能直接相互转化的功能材料，根据产生电压的正与负，将温差电材料分成P型和N型两种。热电装置由P型和N型半导体材料通过串联、并联组合连接而成，其中P型和N型半导体材料通过金属导体串联形成一个发电单元，一个发电单元的P型半导体材料与相邻发电单元的N型半导体材料串联，可形成一个最小的发电单元组，若干个发电单元串联能够组成一个完整的热电装置。
温差发电的原理是，自由电子的能量随温度升高而增加，如果导体具有温差，则热端电子将比冷端电子获得更高的能量和更快的速度。N型半导体中的多数载流子为电子，电子的浓度随温度升高而增加，进而形成热端向冷端的一股电子流，这种电荷的积累就建立了一定的电势差，从而形成反向电子流。同时，当电荷积累到一定程度，反向的电子漂移流与正向的电子扩散流相等，就达到了稳定状态。半导体两端即形成了稳定的电动势。P型半导体中的多数载流子是空穴而不是电子，相比N型半导体，原理相同，但温差电动势相反。因此可以在由P、N型半导体组成的温差电元件中获得电流。
优选地，冷端出水管上固定连接有气液分离器，冷端出水管被气液分离器分割为前、后两段，冷端出水管的后段与板式换热器相连；气液分离器设置有进水口、出气口、出水口，进水口与冷端出水管的后段相连，出水口与冷端出水管的前段相连；气液分离器的出气口对着温差发电装置的散热翅片。
气液两相流经冷端出水口排出板式散热器，再通过气液分离器，可将气体与液体分离，分离出的气体经由气液分离器的出气口，直接吹向温差发电装置的散热翅片，加速温差发电片的冷端降温，提升了发电效率。这一设计，一方面能够实现对板式换热器内气体的二次利用，另一方面则是提升了对船舶轮机余热的利用效果，实现综合节能。另外，气液分离器为现有技术，具体的设计有很多，部分设计无需通电便能够实现气液分离的技术效果，以《新型气液分离器研究》(东北石油大学硕士研究生学位论文；作者：耿海洋；完成时间：2017年5月)一文为例，披露了一种气液旋流分离器，利用旋流产生的离心力，对气液两相介质进行分离。
优选地，温差发电单元内温差发电片的数量至少为一个，相邻的温差发电片之间设置有导热板；温差发电片与导热板为面接触。
优选地，温差发电装置外连接有蓄电池组；蓄电池组的电流输出端与空气压缩机的电流输入端连接。
温差发电装置产生的电流由蓄电池组进行存储，可以为空气压缩机提供电能。从工作时间上看，空气压缩机仅在船舶主、副机温度超过最佳温度范围时，才予以开启，而温差发电装置在船舶主、副机的整个工作周期内均可吸收并转化热量。因此，能够通过这种发电方式满足空气压缩机的部分或全部的用电需要，将温差发电装置作为空气压缩机的主要电力来源，当然，当温差发电装置无法满足空气压缩机的用电需要时，可由船舶自身的供电网络补充供电。采用此种方式主要是为了减少船舶的电力负担，帮助实现船舶的节能。
优选地，船舶轮机结构散热装置还包括温度传感器，温度传感器设置在板式换热器的热端进水口上；空气压缩机上设置有单片机，单片机能够控制空气压缩机向冷端进水管注入或停止注入空气；温度传感器的信号输出端与单片机的信号接收端连接，连接方式具体为有线连接和/或无线连接。
优选地，热端进水管、热端出水管、热端水箱、板式换热器组成的闭合水路内的热交换介质为淡水；冷端进水管、冷端出水管、板式换热器组成的水路内的热交换介质为海水。
优选地，冷端进水管的前段入口处设置有过滤装置。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在板式散热器的入水口处加装空气压缩机，通过临时性地向板式散热器的冷端进水管注入气体，在短时间内增加板式散热器的传热系数，实现了对船舶主、副机的温度进行快速调节。
2、本发明通过控制空气压缩机向板式换热器内注入的空气数量，调整流道内气相雷诺数与液相雷诺数之比，从而获取不同大小的传热系数，解决了现有技术中存在的温度超调的技术问题，实现了对船舶主、副机的温度的稳定、精准地调节。
3、本发明通过向板式散热器的冷端进水管注入气体，在提升换热效果的同时，利用这部分气体清除换热器内沉积污垢，避免散热装置的散热性能随时间衰减。
4、本发明通过温差发电装置为空气压缩机供能，能够减少船舶的电力负担，有助于实现船舶的节能。
5、本发明通过气液分离器分离气液两相流，使分离出的气体直接吹向温差发电装置的散热翅片，提高发电效率，既能够实现对板式换热器内气体的二次利用，又能够提升对船舶轮机余热的利用效果。
附图说明
图1为本发明整体示意图。
图2为本发明各装置连接关系示意图。
图3为温差发电装置***视图。
图4为温差发电装置结构图。
图5为温差发电片示意图。
图6为温差发电装置及蓄电池组连接关系示意图。
附图标号：1-板式换热器；21a-热端进水管；21b-异型管；22-热端出水管；23-一号泵；24-热端水箱；31-冷端进水管；32a-冷端出水管；32b-气液分离器；33-二号泵；41-气液混合器；42-空气压缩机；5-温差发电装置；51-温差发电片；52-导热板；53-冷板；54-散热翅片；6-蓄电池组；7-海水；a-热源。
具体实施方式
实施例1：根据图1、图2所示，一种船舶轮机结构散热装置，包括板式换热器1。板式换热器1上设置有热端进水口，热端进水口上固定连接有热端进水管21a；板式换热器1上设置有热端出水口，热端出水口上固定连接有热端出水管22；热端进水管21a、热端出水管22均与热端水箱24连接，热端进水管21a、热端出水管22、热端水箱24、板式换热器1组成闭合水路；板式换热器1上设置有冷端进水口，冷端进水口上固定连接有冷端进水管31；板式换热器上设置有冷端出水口，冷端出水口上固定连接有冷端出水管32a；冷端进水管31、冷端出水管32a、板式换热器1组成水路；冷端进水管31上固定连接有气液混合器41，冷端进水管31被气液混合器41分割为前、后两段，冷端进水管31的后段与板式换热器1相连；气液混合器41设置有进水口、进气口、出水口，进水口与冷端进水管31的前段相连，出水口与冷端进水管31的后段相连，进气口与空气压缩机42相连。热端进水管21a和/或热端出水管22上安装有第一泵23，第一泵23的数量至少为一个；冷端进水管31的前段上安装有第二泵33。
本发明采用的散热***为半封闭式冷却***，热端进水管21a、热端出水管22、热端水箱24与板式换热器1一起组成的闭合水路，主要是用来冷却船舶轮机中的高温部件，热端液体经换热升温，进入到板式换热器1，而后通过板式换热器的波纹板片将热量传递给冷端液体，完成换热循环。
当船舶主、副机温度超过最佳温度范围时，开启空气压缩机42，通过冷端进水管31向板式换热器1中注入空气。一方面，利用气体的扰动作用，增加两相流的湍流强度，降低波纹板片上的热边界层的厚度，从而增大传热系数；另一方面，气相和液相充分混合形成的泡状流，进入到板式换热器的狭窄流道内时，由于气泡空间受到限制，使得气泡破碎形成小气泡，气泡破碎的过程中会产生能量损失，而损失的这部分能量会冲击工质所在的温度场，从而使温度梯度的分布更加均匀，更加利于传热。此外，通过控制空气压缩机42向板式换热器1内注入的空气数量，可调整流道内气相雷诺数与液相雷诺数之比，还可以获取不同大小的传热系数。当船舶主、副机温度超过最佳温度范围时，关闭空气压缩机42，从而避免温度超调的发生。
实施例2：基于实施例1，如图3-6所示，为了减少船舶的电力负担，同时实现船舶的节能，在热端进水管21a上安装有温差发电装置5，二者通过异型管21b实现连接及热传递。温差发电装置5在船舶主、副机的整个工作周期内均可吸收并转化热量，而空气压缩机42仅在船舶主、副机温度超过最佳温度范围时，才予以开启，因此，能够通过这种发电方式满足空气压缩机42的部分或全部的用电需要，当然，当温差发电装置5无法满足空气压缩机42的用电需要时，可由船舶自身的供电网络补充供电。
实施例3：基于实施例2，冷端出水管32a上固定连接有气液分离器32b，冷端出水管32a被气液分离器32b分割为前、后两段，冷端出水管32a的后段与板式换热器1相连；气液分离器32b设置有进水口、出气口、出水口，进水口与冷端出水管32a的后段相连，出水口与冷端出水管32a的前段相连；气液分离器32b的出气口对着温差发电装置5的散热翅片54。
气液两相流经冷端出水口排出板式散热器1，再通过气液分离器32b，可将气体与液体分离，分离出的气体经由气液分离器32b的出气口，直接吹向温差发电装置5的散热翅片54，加速温差发电片51的冷端降温，提升了发电效率。这一设计，一方面能够实现对板式换热器1内气体的二次利用，另一方面则是提升了对船舶轮机余热的利用效果，实现综合节能。
实施例4：基于实施例3，为了节省人力，实现温度的自动调节，还可在板式换热器1的热端进水口上设置温度传感器，在空气压缩机42上设置单片机，并使温度传感器的信号输出端与单片机的信号接收端连接，通过单片机控制空气压缩机42。通过温度传感器检测热端温度，并将温度信号传递给单片机，单片机据此判断是否需要提升板式换热器1的散热效率，即空气压缩机42是否需要向冷端进水管31注入或停止注入空气。能够实现此处功能的单片机为现有技术，具体的设计有很多，常见于船舶冷却水温度智能控制***，如《船舶柴油机冷却水温度智能控制***研究与设计》(大连海事大学硕士学位论文，作者：***；完成日期：2007年11月)一文中就有披露。

Claims (3)

1.一种船舶轮机结构散热装置，包括板式换热器(1)，其特征在于，所述板式换热器(1)上设置有热端进水口，热端进水口上固定连接有热端进水管(21a)；所述板式换热器(1)上设置有热端出水口，热端出水口上固定连接有热端出水管(22)；所述热端进水管(21a)、热端出水管(22)均与热端水箱(24)连接，热端进水管(21a)、热端出水管(22)、热端水箱(24)、板式换热器(1)组成闭合水路；所述板式换热器(1)上设置有冷端进水口，冷端进水口上固定连接有冷端进水管(31)；所述板式换热器(1)上设置有冷端出水口，冷端出水口上固定连接有冷端出水管(32a)；所述冷端进水管(31)、冷端出水管(32a)、板式换热器(1)组成水路；所述冷端进水管(31)上固定连接有气液混合器(41)，冷端进水管(31)被气液混合器(41)分割为前、后两段，冷端进水管(31)的后段与板式换热器(1)相连；所述气液混合器(41)设置有进水口、进气口、出水口，进水口与冷端进水管(31)的前段相连，出水口与冷端进水管(31)的后段相连，进气口与空气压缩机(42)相连；
所述热端进水管(21a)和/或热端出水管(22)上安装有第一泵(23)，所述第一泵(23)的数量至少为一个；所述冷端进水管(31)的前段上安装有第二泵(33)；
所述热端进水管(21a)为圆管，其外侧包裹有异型管(21b)，异型管(21b)与热端进水管(21a)同心；所述异型管(21b)的横截面为正多边形；所述热端进水管(21a)与异型管(21b)的配合方式为过盈配合；所述异型管(21b)外侧包裹有温差发电装置(5)；
所述温差发电装置(5)由温差发电单元组成，温差发电单元的数量与异型管(21b)的横截面的边数一致；所述温差发电单元以热端进水管(21a)为中心，由内向外依次由温差发电片(51)、冷板(53)、散热翅片(54)组成，均为平行设置且相邻的两部件之间为面接触；所述温差发电装置(5)内的温差发电片(51)全部采用串联的连接方式；所述温差发电片(51)与异型管(21b)为面接触，且温差发电片(51)的热端靠近热端进水管(21a)；
所述冷端出水管(32a)上固定连接有气液分离器(32b)，冷端出水管(32a)被气液分离器(32b)分割为前、后两段，冷端出水管(32a)的后段与板式换热器(1)相连；所述气液分离器(32b)设置有进水口、出气口、出水口，进水口与冷端出水管(32a)的后段相连，出水口与冷端出水管(32a)的前段相连；所述气液分离器(32b)的出气口对着温差发电装置(5)的散热翅片(54)；
所述船舶轮机结构散热装置还包括温度传感器，温度传感器设置在板式换热器(1)的热端进水口上；所述空气压缩机(42)上设置有单片机，单片机能够控制空气压缩机(42)向冷端进水管(31)注入或停止注入空气；所述温度传感器的信号输出端与单片机的信号接收端连接，连接方式具体为有线连接和/或无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶轮机结构散热装置，其特征在于，所述热端进水管(21a)、热端出水管(22)、热端水箱(24)、板式换热器(1)组成的闭合水路内的热交换介质为淡水；所述冷端进水管(31)、冷端出水管(32a)、板式换热器(1)组成的水路内的热交换介质为海水。
3.根据权利要求2所述的一种船舶轮机结构散热装置，其特征在于，所述冷端进水管(31)的前段入口处设置有过滤装置。
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