自流冷却系统和船舶的制作方法

[0001]
本发明涉及船舶冷却系统技术领域，尤其涉及一种自流冷却系统和船舶。


背景技术：

[0002]
船舶冷却系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的重要环节，船舶动力系统如柴油机或蒸汽动力系统、辅助设备等运行时产生的热量绝大部分需要通过船舶冷却系统传递给冷却水并排出船外。
[0003]
随着大型先进船舶的发展，船舶所需冷却水量不断增加，船舶冷却水泵是船舶动力系统主要耗能部件之一，能耗和噪声居高不下，不利于绿色船舶发展。为降低冷却水泵的功耗和噪声，部分现代绿色船舶和高速船舶中采用自流式冷却水系统为中央冷却器或凝汽器提供冷却水，利用船舶迎流动压克服冷却系统阻力，实现船舶冷却，在部分航速下取代泵驱。
[0004]
传统的自流冷却系统是针对船舶额定工况设计的，然而船舶在工作过程中，会经常偏离额定工况点。如图1所示为传统自流冷却系统的自流冷量与用户所需冷量的关系示意图。可以看到航速较低或很高时，用户所需冷量高于自流冷量；在中等航速范围内，用户所需冷量低于自流冷量，即所需冷量与实际提供的冷量之间存在差异，导致用户热源出口的实际温度与目标温度会存在较大偏差。
[0005]
当自流冷量高于用户热源所需冷量时，会导致流经冷却器的冷凝水的过冷度太大，形成过度冷却；当自流冷量低于用户热源所需冷量时，又会导致冷却不足。即不能达到冷却水的供需平衡。尤其是当用户热源热量突然增加时，还会形成热冲击，且未被冷却的热量不能有效排出。影响整个冷却系统的稳定性，从而影响船舶动力系统的正常运行。


技术实现要素：

[0006]
本发明实施例提供一种船舶自流冷却系统，用以解决现有技术的自流冷却系统不能达到冷却水的供需平衡，且存在热冲击，而影响整个冷却系统的稳定性的问题。
[0007]
本发明实施例提供一种船舶自流冷却系统，包括冷却器和相变水箱，所述冷却器的两端和所述相变水箱的两端均分别与自流水进口和自流水出口相连通，所述冷却器与用户热源相连通而形成第一冷却回路，所述相变水箱与所述用户热源相连通而形成第二冷却回路；所述相变水箱与所述用户热源相连通的管路上设有第一阀门，所述相变水箱与所述自流水进口之间的连通管路上设有第二阀门。
[0008]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，所述相变水箱内设置有相变单元和换热管，所述换热管的一端与所述自流水进口相连通，另一端与所述自流水出口相连通，所述换热管位于所述相变单元内。
[0009]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，还包括控制器，所述控制器分别与所述第一阀门和所述第二阀门通信连接。
[0010]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，所述用户热源的出口端安装有温度传感
器，所述温度传感器与所述控制器通信连接。
[0011]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，还包括过滤器，所述过滤器的进水口与所述自流水进口相连通，所述过滤器的出水口分别与所述相变水箱和所述冷却器相连通。
[0012]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，所述自流水进口处安装有第三阀门，所述自流水出口处安装有第四阀门。
[0013]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，所述相变单元采用球体封装相变材料制成。
[0014]
根据本发明一个实施例的自流冷却系统，所述换热管采用钛合金制成。
[0015]
本发明实施例还提供一种船舶，包括船舷和上述任一种自流冷却系统，所述船舷开设有所述自流水进口和自流水出口。
[0016]
根据本发明一个实施例的船舶，所述自流水进口的开口方向与船体的航行方向相同，所述自流水出口的开口方向与所述自流水进口的开口方向相反。
[0017]
本发明实施例提供的船舶自流冷却系统和船舶，通过设置冷却水箱，使得当自流冷量高于用户热源所需冷量时，可将超出的自流冷量储存起来；当自流冷量低于用户热源所需冷量时，可利用储存的冷量进行补充冷却。从而达到冷却水的供需平衡，保证用户热源的出口温度在目标值范围内波动。另外，在用户热源的排热量突然增加时，可有效起到热缓冲作用，避免热冲击，使热量及时排出。因此，提高了自流冷却系统的稳定性，有利于船舶动力系统的正常运行。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1是传统自流冷却系统的自流冷量与用户所需冷量的关系示意图；
[0020]
图2是本发明实施例自流冷却系统的结构示意图；
[0021]
图3是为无相变水箱和有相变水箱的船舶用自流冷却系统的用户热源出口温度变化示意图。
[0022]
附图标记：
[0023]
1、冷却器；11、冷却器的自流入口；12、冷却器的自流出口；13、冷却器的热源入口；14、冷却器的热源出口；15、第一冷却回路；2、相变水箱；21、相变水箱的自流入口；22、相变水箱的自流出口；23、相变水箱的热源入口；24、相变水箱的热源出口；25、第二冷却回路；3、自流水进口；31、第三阀门；4、自流水出口；41、第四阀门；5、用户热源；6、第一阀门；7、第二阀门；8、控制器；9、过滤器；10、船舷。
具体实施方式
[0024]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
[0026]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0027]
下面结合图2和图3描述本发明实施例的自流冷却系统和船舶。
[0028]
如图2所示为本发明实施例自流冷却系统的结构示意图。该自流冷却系统包括冷却器1和相变水箱2。冷却器1的两端分别与自流水进口3和自流水出口4相连通，相变水箱2的两端分别与自流水进口3和自流水出口4相连通。冷却器1与用户热源5相连通而形成第一冷却回路15，相变水箱2与用户热源5相连通而形成第二冷却回路25。相变水箱2与用户热源5相连通的管路上设有第一阀门6，相变水箱2和自流水进口3之间的连通管路上设有第二阀门7。其中，用户热源5可以为任何需要进行制冷的装置或系统，如船舶动力系统如柴油机或蒸汽动力系统、辅助设备等。用户热源5内的热流体可分别流经冷却器1和相变水箱2进行冷却。
[0029]
具体的，相变水箱的自流入口21和相变水箱的自流出口22分别连通自流水源和外界。冷却器的自流入口11与自流水进口3相连通，冷却器的自流出口12与自流水出口4相连通。冷却器的热源入口13和冷却器的热源出口14分别与用户热源5相连通而形成第一冷却回路15，相变水箱的热源入口23和相变水箱的热源出口24分别与用户热源5相连通而形成第二冷却回路25。其中，第一阀门6用于控制用户热源5与相变水箱2之间管路的连通和关闭，第二阀门7用于控制自流水源与相变水箱2之间管路的连通和关闭。
[0030]
使用时，当该自流冷却系统在额定工况范围内工作时，第一阀门6和第二阀门7均处于常闭状态，用户热源5的热流体均通过冷却器1，自流水均通过冷却器1冷却用户热源5的热流体。当自流冷量即自流水所能提供的冷量高于用户热源5所需冷量时，打开第二阀门7，将部分自流水进行分流，使一部分自流水进入冷却器1，另一部分自流水进入相变水箱2，通过相变水箱2将冷量储存起来，完成蓄冷。当自流冷量低于用户热源5所需冷量或者当用户热源5的排热量突然增加时，打开第一阀门6，将热流体进行分流，使一部分热流体进入冷却器1，另一部热流体进入相变水箱2，通过相变水箱2存储的冷量来冷却用户热源5的热流体，使用户热源5的热量能够顺利排出，从而达到抗热冲击的效果。
[0031]
如图3所示为无相变水箱和有相变水箱的船舶用自流冷却系统的用户热源出口温度变化示意图。从图中可看出，船舶的航行速度小于v
0
时，用户热源5的出口温度t仍然高于目标温度t
0
，当速度为v
1
时，用户热源5的出口温度t达到最高峰值，存在冷却不足；船舶的航行速度大于速度v
0
一定范围内，用户热源5的出口温度t低于目标温度t
0
，当速度为v
2
时，用户热源5的出口温度t达到最低峰值，存在冷却过度。而增加了相变水箱后，在整个速度范围内，用户热源5的出口温度均被控制在目标温度t
0
左右较小范围内波动。
[0032]
本发明实施例提供的自流冷却系统，通过设置相变水箱2，使得当自流冷量高于用
户热源所需冷量时，可将超出的自流冷量储存起来；当自流冷量低于用户热源所需冷量时，可利用储存的冷量进行补充冷却，从而达到冷却水的供需平衡。另外，在用户热源的排热量突然增加时，可有效起到热缓冲作用，避免热冲击，使热量及时排出。从而保证用户热源5的出口温度在目标值范围内波动，提高了自流冷却系统的稳定性，有利于船舶动力系统的正常运行。
[0033]
相变水箱2内设置有相变单元和换热管，换热管的一端与自流水进口3相连通，另一端与自流水出口4相连通，换热管位于相变单元内。具体的，换热管的一端通过相变水箱的自流入口21与自流水进口3连通，换热管的另一端通过相变水箱的自流出口22与自流水出口4相连通。当自流冷量高于用户热源5所需冷量时，自流水进入换热管并与相变单元发生换热，以将冷量储存在相变单元内，完成蓄冷。当用户热源5的排热量突然增加，且自流水不能完全满足用户热源5所需冷量时，用户热源5的热流体流经相变水箱2时，与相变单元发生换热，利用相变单元存储的冷量来冷却用户热源5的热流体。
[0034]
其中，相变水箱2里的相变单元采用球体封装相变材料制成。用户热源5的热流体进入相变水箱2内与相变单元直接接触换热，或者，相变水箱2内设置冷却管，冷却管位于相变单元内，冷却管的两端分别通过相变水箱的热源入口23和相变水箱的热源出口24与用户热源5相连通，使用户热源5的热流体循环流经冷却管时与相变单元进行换热。
[0035]
进一步的，为增大换热面积，提高换热效率，冷却管和换热管均可设置成螺旋盘管。进一步的，冷却管或换热管均可采用钛合金制成，使其具有较高的强度以及较好的耐蚀性和耐热性。
[0036]
本发明实施例提供的自流冷却系统还包括控制器8，控制器8分别与第一阀门6和第二阀门7通信连接。控制器8根据对自流系统所提供的冷量与用户热源5所需冷量的比较结果，控制第一阀门6和第二阀门7的通断。具体的，若自流冷量高于用户热源5所需冷量时，控制第一阀门6关闭，第二阀门7打开，以利用相变水箱2进行蓄冷；若自流冷量低于用户热源5所需冷量时，控制第一阀门6打开，第二阀门7关闭，以利用相变水箱2进行补充冷却。
[0037]
进一步的，用户热源5的出口端安装有温度传感器，温度传感器与控制器8通信连接。温度传感器用于检测热流体被冷却之前的温度。控制器8根据用户热源5出口端的热流体的温度和目标温度，确认需要分流到相变水箱2内的自流量或者热流体量，从而相应的控制第一阀门6和第二阀门7。其中，第一阀门6和第二阀门7均为流量调节阀。
[0038]
本发明实施例中，还包括过滤器9，过滤器9的进水口与自流水进口3相连通，过滤器9的出水口分别与相变水箱2和冷却器1相连通。在自流水进口3与相变水箱2和冷却器1之间安装过滤器，可过滤自流水中的杂质或异物，以防堵塞自流水管道甚至进入冷却器1或相变水箱2.
[0039]
本发明实施例中，自流水进口3处安装有第三阀门31，自流水出口4处安装有第四阀门41。其中，第三阀门31和第四阀门41可均为单向阀，以保证整个自流式冷却系统有序工作。当该自流冷却系统应用于船舶上时，第三阀门31和第四阀门41可均为通海阀。
[0040]
本发明实施例还提供一种船舶，该船舶包括船舷10和如上述任一实施例所述的自流冷却系统，船舷10开设有自流水进口3和自流水出口4。自流水进口3与自流水源相连通，自流水出口4与外界相连通。自流冷却系统中的冷却器1和相变水箱2分别与船舶上的热源如动力系统或辅助设备等连通，通过自流水对其产生的热流体进行冷却。
[0041]
其中，自流水进口的开口方向与船体的航行方向相同，如图2中箭头所指的方向即为航行方向，自流水出口的开口方向与自流水进口的开口方向相反。这样可以减小船体所受的自流水产生的阻力。
[0042]
本发明实施例提供的船舶，通过设置有相变水箱2的自流冷却系统为船舶动力系统进行冷却，不仅可以在自流冷量高于动力系统所需冷量时，将多余的冷量储存起来，防止动力系统端的过冷度过大，还能够在自流冷量高于动力系统所需冷量时，进行补充冷却，且在动力系统的排热量突然增加时，抵抗动力系统产生的热冲击，使船舶动力系统正常运行。
[0043]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。