深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置的制作方法

1.本发明涉及深海装备冷却装置技术领域，尤其涉及一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置。


背景技术：

2.在陆用发电设计中，超临界二氧化碳的冷却通常采用印刷电路板式紧凑换热器(pche)，但是在海洋环境中，海水存在一定的杂质，且有一定腐蚀性，pche特有的微细通道易发生堵塞等情况。因此从适用性出发，依然是传统的管壳式换热器较佳。但二氧化碳工质通过通过管壳式换热器时，其换热能力较低。换热能力一般用换热系数表示，其通用形式是其中λ是二氧化碳导热系数，d是当量直径，re是雷诺数，pr是普朗特数。a、b、c是与流体流型有关的系数。通常情况下由于二氧化碳的密度和导热系数远低于水，在层流条件下其换热系数较低。所以为了达到在动力系统中将二氧化碳充分冷却的效果，其尺寸非常大，这样与深海装备本身极为紧凑狭小的空间相矛盾。除此以外，当装备处于较低功率条件下，由于换热器本身尺寸巨大，其冷却能力对于系统的冷却需求而言过大，二氧化碳工质倍过度冷却，可能造成二氧化碳处于亚临界状态，不再符合超临界二氧化碳动力系统中压缩机对工质时刻处于超临界态的要求，对系统稳定安全运行带来极为不利的影响。


技术实现要素：

3.本发明提供一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，旨在解决传统技术中二氧化碳工质通过管壳式换热器时，换热能力较低的问题。
4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，包括：
5.冷却器，包括壳体以及设于所述壳体内的换热管道，所述壳体上开设有二氧化碳入口以及二氧化碳出口，所述壳体内具有与所述二氧化碳入口连通的第一换热腔以及与所述二氧化碳出口连通的第二换热腔，所述第一换热腔与所述第二换热腔间隔分布于所述换热管道的两端、且分别与所述换热管道连通，所述换热管道内流动有二氧化碳工质；
6.扰流结构，包括回收件、设于所述回收件内的多个磁性件以及驱动器，所述回收件的两端分别与所述第一换热腔以及所述第二换热腔连通，所述驱动器用于驱动各所述磁性件进入所述第一换热腔，各所述磁性件均具有扰流部，所述扰流部用于与二氧化碳工质接触时改变的二氧化碳工质流动方向；以及，
7.磁性结构，包括设于所述壳体外侧的电磁铁，所述电磁铁用于在通电时吸附各所述磁性件、以使各所述磁性件附着于所述换热管道的内壁。
8.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述磁性件具有呈相互交叉设置的多个杆体，各杆体之间形成有朝向不同的多个扰流夹角，所述扰流夹角用于影响二氧化碳的流体方向；
9.部分所述杆体为金属设置，和/或，部分所述杆体上设有磁块。
10.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述回收件包括回收管路以及回收箱，所述回收管路的两端分别与所述第一换热腔以及所述第二换热腔连通，所述回收箱设于所述回收管路上、且所述回收箱的容纳腔与所述回收管路连通，所述回收箱用于回收所述磁性件。
11.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述驱动器包括高压气瓶，所述高压气瓶的出气口与所述容纳腔连通，用于向所述容纳腔内充填高压气体。
12.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述回收管路靠近所述第一换热腔处设有阀门，所述回收管路靠近所述第二换热腔处设有止回阀。
13.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述电磁铁包括两个，两个所述电磁铁分设于所述壳体在高度方向上呈相对设置的两外侧壁。
14.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，各所述电磁铁呈板状或者条状。
15.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述磁性结构还包括电源以及控制器，所述电源与所述控制器均与所述电磁铁电连接，所述控制器用于控制电流的大小以及电源的开启与关闭。
16.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述第一换热腔与所述第二换热腔中分别设有第一过滤器以及第二过滤器，所述第一过滤器以及所述第二过滤器均用于过滤二氧化碳工质。
17.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述壳体上开设有磁性件入口以及磁性件回收口，所述磁性件入口设于所述第一过滤器靠近所述换热管道的一侧，所述磁性件回收口设于所述第二过滤器靠近所述换热管道的一侧，所述回收管路的两端分别所述磁性件入口以及所述磁性件回收口连通。
18.根据本发明提供的一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，所述壳体内还具有与所述第一换热腔以及所述第二换热腔间隔设置的冷却腔，所述换热管道设于所述冷却腔内；
19.所述壳体上开设有与所述冷却腔连通的冷却进口以及冷却出口，所述冷却腔内流动有冷却介质。
20.本发明提供的深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置，通过向冷却器的换热管道投入磁性件，由于磁性件的局部设置磁性部分，当电磁铁接通电源时会产生磁场，在磁场的作用下磁性件被吸附在换热管道中，二氧化碳工质通过磁性件过程中，受到各磁性件的扰流部的影响，由层流变为湍流，从而提升换热系数，缩小额定工况所需的冷却器体积；当系统处于低工况下时，电磁铁电源断开，磁性件随二氧化碳流出换热管道，进入回收件，此时二氧化碳工质恢复为层流，换热能力降低，能够避免被海水过度冷却。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明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。
22.图1是本发明提供的深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置的结构示意图；
23.图2是图1中磁性体的正视图结构示意图。
24.附图标记：
25.1：深海超临界二氧化 2：冷却器；
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3：扰流结构；
26.碳动力系统冷却装置；
28.4：磁性结构；
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5：壳体；
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6：换热管道；
29.7：二氧化碳入口；
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8：二氧化碳出口；
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9：第一换热腔；
30.10：第二换热腔；
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11：磁性件入口；
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12：磁性件回收口；
31.13：第一过滤器；
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14：第二过滤器；
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15：冷却腔；
32.16：冷却进口；
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17：冷却出口；
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18：回收件；
33.19：磁性件；
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20：驱动器；
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21：电磁铁；
34.22：电源；
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23：回收管路；
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24：回收箱；
35.25：杆体；
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26：阀门；
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27：止回阀。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
37.下面结合图1-图2描述本发明提供的深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置1。
38.传统技术中二氧化碳工质通过管壳式换热器时，换热能力较低，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种深海超临界二氧化碳动力系统冷却装置1，包括：冷却器2，包括壳体5以及设于壳体5内的换热管道6，壳体5上开设有二氧化碳入口7以及二氧化碳出口8，壳体5内具有与二氧化碳入口7连通的第一换热腔9以及与二氧化碳出口8连通的第二换热腔10，第一换热腔9与第二换热腔10间隔分布于换热管道6的两端、且分别与换热管道6连通，换热管道6内流动有二氧化碳工质；壳体5内还具有与第一换热腔9以及第二换热腔10间隔设置的冷却腔15，换热管道6设于冷却腔15内；壳体5上开设有与冷却腔15连通的冷却进口16以及冷却出口17，冷却腔15内流动有冷却介质，在本实施例中冷却腔15内流动有海水，用于对换热管道6中的二氧化碳进行冷却。需要说明的是，换热管道6可以为单个或者多个，在本实施例中换热管道6为多个，多个换热管道6均匀分布于冷却腔15内，以提高冷却器2的整体换热能力，每个换热管道6均具有换热进口以及换热出口，换热进口与第一换热腔9连通，换热出口与第二换热腔10连通。
39.本发明提供的换热器还包括扰流结构3，扰流结构3包括回收件18、设于回收件18内的多个磁性件19以及驱动器20，回收件18的两端分别与第一换热腔9以及第二换热腔10连通，驱动器20用于驱动各磁性件19进入第一换热腔9，各磁性件19均具有扰流部，扰流部用于与二氧化碳工质接触时改变的二氧化碳工质流动方向；以及，磁性结构4，包括设于壳体5外侧的电磁铁21，电磁铁21用于在通电时吸附各磁性件19、以使各磁性件19附着于换热管道6的内壁。
40.需要说明的是，驱动器20可以驱动磁性件19进入第一换热腔9中，在二氧化碳流体的带动作用下，磁性件19会被带入换热管道6内。由于磁性件19具有磁性，当电磁铁21接通电源22时会产生磁场，在磁场的作用下磁性件19被吸附在换热管道6中，二氧化碳工质通过磁性件19过程中，受到各磁性件19的扰流部的影响，由层流变为湍流，从而提升换热系数，缩小额定工况所需的冷却器2体积；当系统处于低工况下时，电磁铁21电源22断开，磁性件19随二氧化碳流出换热管道6，进入第二换热腔10，在自身重力作用下落入回收件18被回收，此时二氧化碳工质恢复为层流，换热能力降低，能够避免被海水过度冷却。
41.在本发明提供的技术方案中，磁性件19具有呈相互交叉设置的多个杆体25，各杆体25之间形成有朝向不同的多个扰流夹角，当二氧化碳流体经过各个磁性件19时，会穿过各扰流夹角，以达到对二氧化碳流体方向的改变，使得二氧化碳流体由层流变为湍流，提高二氧化碳流体的换热能力。需要说明的是，在本实施例中，请参阅图2，磁性件19由多个杆体25交叉设置而成，由外视为球形，如此形状较为规整，便于进行控制；磁性件19的杆体25可以部分为金属设置，或者磁铁设置，或者在部分杆体25上设置磁性块(如图2中的黑色部位即为磁性块)，以达到可以在电磁铁21通电时与电磁铁21的吸附作用。
42.进一步地，回收件18包括回收管路23以及回收箱24，回收管路23的两端分别与第一换热腔9以及第二换热腔10连通，回收箱24设于回收管路23上、且回收箱24的容纳腔与回收管路23连通，回收箱24用于回收磁性件19。需要说明的是，本发明中的磁性件19体积较小，为颗粒状，在冷却器2运行的时候，先使用驱动器20驱动磁性件19通过回收管路23进入第一换热腔9中，磁性件19会在二氧化碳流体的作用下进入换热管道6，此时打开电磁铁21，磁性件19会在电磁铁21的磁力作用下吸附于换热管道6的内壁面，二氧化碳流体通过时则可以提高二氧化碳流体的换热能力；当系统处于低工况下时，电磁铁21的电源22断开，磁性件19不收到磁力的吸附作用，随二氧化碳流出换热管道6，会在重力的作用下通过回收管路23进入回收箱24内，完成磁性件19的回收，当需要再次使用时可以通过驱动器20再次驱动磁性件19进入第一换热腔9，如此可以循环利用，达到对系统工况的良好适用。
43.在本发明提供的技术方案中，驱动器20包括高压气瓶，高压气瓶的出气口与容纳腔连通，用于向容纳腔内充填高压气体。当高压气体充填入容纳腔中时，受到气体的冲击力，磁性件19会被高压气体冲入第一换热腔9内。还需要说明的是，回收管路23靠近第一换热腔9内处设有阀门26，可以将高压气瓶保持常开状态，如此可通过打开或者关闭阀门26达到对磁性件19的释放；在回收管路23靠近第二换热腔10内处设有止回阀27，由于系统处于低工况时需要对磁性件19进行回收，止回阀27用于防止磁性件19的运动方向错误，无法进入第一换热腔9，保证磁性件19均从第一换热腔9中进入换热管道6，而从第二换热腔10中回收入回收箱24。
44.进一步地，电磁铁21包括两个，两个电磁铁21分设于壳体5在高度方向上呈相对设置的两外侧壁，由于管式壳体5的直径较大，设置两个电磁铁21有利于提高对磁性件19吸附作用，使得磁性件19可以均匀地吸附于换热管道6的内壁面上，当然设置更多的电磁铁21也可以，本发明对此并不加以限定。还需要说明的是，在本发明提供的技术方案中，电磁铁21呈板状或者条状，在本实施例中为板状，板状的电磁铁21覆盖住了壳体5的上下两个端面，使得吸附力更大，吸附作用更加均匀。电磁铁21可以是设置在壳体5外侧的，通过螺栓此类固定件进行固定于壳体5，也可以是通过安装支架等安装固定，不与壳体5产生直接的连接
关系，只悬设于壳体5的上下两个端面，本发明对此并不加以限定。
45.更进一步地，磁性结构4还包括电源22以及控制器，电源22与控制器均与电磁铁21电连接，控制器用于控制电流的大小以及电源22的开启与关闭，以达到对磁力的控制作用。
46.具体地，第一换热腔9与第二换热腔10中分别设有第一过滤器13以及第二过滤器14，第一过滤器13与第二过滤器14由图示呈圆形，堵设于壳体5的内腔，第一过滤器13以及第二过滤器14均用于过滤二氧化碳工质。需要说明的是，壳体5上开设有磁性件入口11以及磁性件回收口12，磁性件入口11设于第一过滤器13靠近换热管道6的一侧，磁性件回收口12设于第二过滤器14靠近换热管道6的一侧，回收管路23的两端分别与磁性件入口11以及磁性件回收口12连通，当磁性件19在驱动器20的作用下，由磁性件入口11进入第一换热腔9，受到二氧化碳流体的冲击，会被二氧化碳流体携带进入换热管道6，并在电磁铁21的磁力作用下吸附于换热管道6的内壁；当电磁铁21关闭时，受到二氧化碳流体的携带作用，磁性件19被带出换热管道6，在第二过滤器14的阻隔下进入磁性件回收口12，从而被回收进回收箱24内。需要说明的是，第二换热腔10处应该设有漏斗形装置，漏斗形装置与回收管路23连通，用于对磁性体的回收导向，方便回收磁性体。
47.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。