电磁涡流刹车的废热利用系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁涡流刹车的废热利用系统及方法，其中系统包括电磁涡流刹车和海水淡化设备，两者之间连接换热恒温装置。该换热恒温装置包括热交换模块、恒温阀、缓冲水箱模块，所述热交换模块内设置有第一换热器和第二换热器，所述恒温阀内置有温度传感器；所述缓冲水箱模块内设置有缓冲储水箱、流量传感器和水位检测传感器；该换热恒温装置还包括控制器，该控制器根据采集的温度传感器、流量传感器、水位检测传感器的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度。本发明对电磁涡流刹车工作过程中产生的废热进行收集和利用，避免了能量转换造成的损失，达到了能源的高效利用。
【专利说明】
电磁涡流刹车的废热利用系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及废热利用领域，尤其涉及一种电磁涡流刹车的废热利用系统及方法。
【背景技术】
[0002]2010年市场调查显示，海洋油气总产量占全球油气总产量的比例已从1997年的20%上升到目前的40%以上，其中深海油气产量约占海洋油气产量的30%以上。海洋油气的产量和储量一直保持较快增长，带动了海洋钻井平台市场的发展。2014年美国油服公司Baker Hughes表示，全球海上钻井平台数量不断增加，3月份平台总数增至388座，与上一年同期的369座相比增长了 5.2%，海上钻井平台发展迅速。
[0003]电磁涡流刹车系统是海上油田钻井平台用以调节钻具下放速度的辅助刹车装置，该系统每天工作18?20小时，工作时涡流将在转子内表面引起大量的热，需及时冷却。平台上直接采用水冷方式对其进行冷却，而冷却后70°C左右的废热水被直接排放入海洋，造成废热水资源的浪费和海洋热污染。
[0004]与此同时，每周平台上对淡水需求量约为800吨(以南海981平台为例)，目前平台上淡水补给方式主要有船舶运送补给以及海水淡化补给两种方式。船舶运送成本高，易受天气影响，补给不及时，因此实际生产中很少采用此种方式;而海水淡化常用的低压蒸馏方式具有淡化效率高、装置较小、维护简单的优点，但是需要与热源搭配使用，能耗大，制约性较强。因此目前采用的海水淡化方法各有利弊。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种将电磁涡流刹车系统与海水淡化系统有机地结合起来的电磁涡流刹车的废热利用系统。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]提供一种电磁涡流刹车的废热利用系统，包括电磁涡流刹车和海水淡化设备，两者之间连接换热恒温装置；
[0008]该换热恒温装置包括热交换模块、恒温阀、缓冲水箱模块，其中:所述热交换模块内设置有第一换热器和第二换热器，所述恒温阀内置有温度传感器;所述缓冲水箱模块内设置有缓冲储水箱、流量传感器和水位检测传感器;该换热恒温装置还包括控制器，该控制器根据采集的温度传感器、流量传感器、水位检测传感器的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度；
[0009]电磁涡流刹车产生的废热水进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水重新参与循环，用于电磁涡流刹车冷却；同时，海水淡化设备排出来的高温浓盐水在第二热交换器中与原料海水进行二次热交换，温度上升后的原料海水进入恒温阀，达到设定温度后进入海水淡化设备中进行海水淡化;与此同时海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。
[0010]本发明所述的系统中，该系统还包括多条管路和预处理水箱，第一热交换器与电磁涡流刹车之间连接I号管路;第一热交换器与恒温阀之间连接2号管路;预处理水箱与第一热交换器之间连接6号管路；
[0011]第二热交换器与恒温阀之间连接3号管路，第二热交换器与海水淡化设备之间连接4号管路;电磁涡流刹车与第一热交换器之间还连接有水箱，水箱与第一热交换器之间通过5号管路连接;第二热交换器通过7号管路与6号管路连接；
[0012]原料海水被抽入预处理水箱，原料海水在经过预处理之后经分流阀流入6号管路与7号管路，分别进入两个热交换器；
[0013]电磁涡流刹车产生的废热水经I号管路进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水流入5号管路继续参与循环利用于电磁涡流刹车冷却，原料海水升温后进入2号管路;同时，海水淡化设备排出来的高温浓盐水流入4号管路，并与7号管路中的原料海水进行二次热交换;温度上升后的原料海水由3号管路与2号管路进入恒温阀，在控制器的控制下，恒温阀使原料海水的温度均匀达到设定温度，并进入海水淡化设备中进行海水淡化；与此同时海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。
[0014]本发明所述的系统中，第一热交换器和第二热交换器均为板式热交换器。
[0015]本发明所述的系统中，所述恒温阀还包括阀芯和步进电机；
[0016]所述温度传感器将实时采集的温度数据传输给控制器，控制器对温度数据进行处理后生成控制信号驱动步进电机调控阀芯开口度，当出水口温度低于设定要求时，步进电机带动阀芯运动，减小冷水口的开度，增加热水口的开度，使混水的热水比例增加，冷水比例下降，达到设定值。
[0017]本发明所述的系统中，所述换热恒温装置还包括人机数码管显示界面，设置在所述换热恒温装置的箱体上，所述人机数码管显示界面通过串口与控制器连接。
[0018]本发明所述的系统中，所述人机数码管显示界面包括相连接的人机显示主机和彩屏。
[0019]本发明所述的系统中，所述海水淡化设备为真空沸腾式造水机，且所述真空沸腾式造水机外接换热恒温装置的进水口水管、淡水出口水管和高温浓盐水出口水管。
[0020]本发明所述的系统中，所述步进电机为微型57系列步进电机。
[0021]本发明还提供一种电磁涡流刹车的废热利用方法，该方法基于上述系统，具体包括以下步骤:
[0022]电磁涡流刹车产生的废热水进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水重新参与循环，用于电磁涡流刹车冷却；
[0023]海水淡化设备排出来的高温浓盐水在第二热交换器中与原料海水进行二次热交换；
[0024]控制器采集温度传感器、流量传感器及水位检测传感器的数据，并根据采集的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度；
[0025]温度上升后的原料海水进入恒温阀，当恒温阀中的水温达到设定温度时，进入海水淡化设备中进行海水淡化；
[0026]海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。
[0027]本发明产生的有益效果是:本发明电磁涡流刹车的废热利用系统对电磁涡流刹车系统工作过程中产生的废热进行收集和利用，并通过一系列电控设备实现对传输中程以及末端温度的精确控制，避免了能量转换造成的损失，达到了能源的高效利用。在保证海水淡化系统稳定运行的同时，提高了海水淡化系统的工作效率和产水量，降低了其工作时所需的耗能，有效节约能源，延长其使用寿命。
【附图说明】
[0028]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0029]图1是本发明实施例电磁涡流刹车的废热利用系统的结构示意图；
[0030]图2是本发明实施例换热恒温装置的结构示意图；
[0031]图3是本发明实施例电磁涡流刹车的废热利用系统的控制框图；
[0032]图4是本发明实施例恒温控制流程图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]本发明的电磁涡流刹车的废热利用系统将电磁刹车系统和海水淡化设备巧妙结合，对电磁涡流刹车工作过程中产生的废热进行收集和利用，避免了能量转换造成的损失，达到了能源的高效利用。
[0035]本发明实施例的电磁涡流刹车的废热利用系统，如图1所示，包括电磁涡流刹车和海水淡化设备，两者之间连接换热恒温装置；
[0036]该换热恒温装置包括热交换模块、恒温阀、缓冲水箱模块，其中:所述热交换模块内设置有第一换热器和第二换热器，所述恒温阀内置有温度传感器;所述缓冲水箱模块内设置有缓冲储水箱、流量传感器和水位检测传感器;该换热恒温装置还包括控制器，该控制器根据采集的温度传感器、流量传感器、水位检测传感器的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度。
[0037]本发明实施例中，第一热交换器和第二热交换器均为板式热交换器。
[0038]所述恒温阀还包括阀芯和步进电机;所述步进电机为微型57系列步进电机。
[0039]所述温度传感器将实时采集的温度数据传输给控制器，控制器对温度数据进行处理后生成控制信号驱动步进电机调控阀芯开口度，当出水口温度低于设定要求时，步进电机带动阀芯运动，减小冷水口的开度，增加热水口的开度，使混水的热水比例增加，冷水比例下降，达到设定值。
[0040]所述换热恒温装置还包括人机数码管显示界面，设置在所述换热恒温装置的箱体上，所述人机数码管显示界面通过串口与控制器连接。
[0041]所述人机数码管显示界面包括相连接的人机显示主机和彩屏。彩屏可采用iIi9325-8pins-bbk 2.4英寸彩屏;所述人机数码管显示界面可设置在所述换热恒温装置的箱体上。
[0042]所述海水淡化设备为真空沸腾式造水机，且所述真空沸腾式造水机外接换热恒温装置的进水口水管、淡水出口水管和高温浓盐水出口水管。
[0043]如图2所示，该换热恒温装置包括多条管路和预处理水箱，第一热交换器与电磁涡流刹车之间连接I号管路;第一热交换器与恒温阀之间连接2号管路;预处理水箱与第一热交换器之间连接6号管路；
[0044]第二热交换器与恒温阀之间连接3号管路，第二热交换器与真空沸腾式造水机之间连接4号管路；电磁涡流刹车与第一热交换器之间还连接有水箱，水箱与第一热交换器之间通过5号管路连接;第二热交换器通过7号管路与6号管路连接；
[0045]冷水栗将原料海水抽入预处理水箱，原料海水在经过预处理之后经分流阀流入6号管路与7号管路，分别进入两个热交换器；
[0046]电磁涡流刹车产生的废热水经I号管路进入第一热交换器进行热交换，使原料海水温度升高，换热后废热水流入5号管路继续参与循环利用于电磁涡流刹车冷却，原料海水升温后进入2号管路；同时，真空沸腾式造水机排出来的高温浓盐水流入4号管路，并与7号管路中的原料海水进行二次热交换;温度上升后的原料海水由3号管路与2号管路进入恒温阀，在控制器的控制下，恒温阀使原料海水的温度均匀达到设定温度，并进入海水淡化设备中进行海水淡化;与此同时海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。
[0047]电磁涡流刹车产生的废热水经I号管进入A号板式换热器，同时水栗将原料海水抽入预处理水箱，原料海水在经过预处理之后经分流阀流入6号管路与7号管路并分别进入两个板式换热器。
[0048]电磁涡流刹车废热水与原料海水进行热交换，使原料海水温度升高，换热后废热水流入5号管路继续参与循环利用于电磁涡流刹车冷却，原料海水升温后进入2号管路。同时，真空沸腾式造水机排出来的高温浓盐水流入4号管路，并与7号管路中的原料海水进行二次热交换。温度上升后的原料海水由3号管路与2号管路进入恒温混水阀，通过恒温混水阀，使其温度均匀达到设定温度，进入真空沸腾式造水机中进行海水淡化。与其同时高温浓盐水换热后即可排放入海。
[0049]其中，换热恒温装置收集了电磁涡流刹车冷却系统和造水机系统出水的废热，是系统的基本模块，其主要由至少2个热交换器器(本发明实施例中采用A号板式换热器和B号板式换热器)和相应管路组成。板式热交换器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。
[0050]电磁涡流刹车产生的废热水经I号管路进入A号板式换热器，同时冷水栗将原料海水压入6号管路。经过热交换后，原料海水将升温至T1，并由2号管路流入恒温混水阀。同时海水淡化后排出的高温浓盐水流入4号管与7号管中的原料海水在B号板式换热器进行二次热交换;经热交换后，原料海水将升温至T2,并由3号管路流入恒温混水阀。原理图如图3所不O
[0051]恒温阀采取两级控制以提高恒温出水响应速度，主要包括传感器、阀芯、步进电机，控制器可采用51单片机。
[0052]调温旋钮在规定范围内设定任意温度后，经热交换模块升温后的热海水分别由2号和3号管路进入恒温装置。此时恒温装置将实时采集的数据传输给51单片机进行控制处理后，驱动步进电机调控阀芯开口度。当出水口温度低于设定要求时，步进电机带动阀芯运动，减小冷水口的开度，增加热水口的开度，使混水的热水比例增加，冷水比例下降，达到设定值;反之同理。
[0053]缓冲储水箱主要由缓冲储水箱、流量传感器、水位检测传感器以及单片机组成。其中单片机可选用51单片机，且可与恒温阀共用一片单片机。
[0054]从恒温阀流出设定温度的热水，直接进入缓冲储水箱中。此时由水位检测传感器和流量传感器分别对储水箱的水位和出水流量进行监测，以达到实时检测并控制进入真空沸腾式造水机的水流量的目的，便于匹配末级真空沸腾式造水机的正常工作模式。
[0055]本发明将51单片机作为控制系统核心，其主要作用是:(I)接收温度采集模块采集的温度信号；(2)调节水栗转速的控制信号；(3)监测水流量的脉冲信号。单片机根据用户设定的温度，控制步进电机调整冷热水口进水比例，达到出水水温恒定的目的。同时，温度参数、出水流量、储水箱水位等数据由数码管显示，实现人机界面，方便用户时刻了解系统的运行情况。其控制模块原理图如图3所示。
[0056]温度采集模块
[0057]本模块主要由DS18B20传感器和信号处理电路构成，实现出水温度控制。
[0058]经过热交换的海水进行温度检测，实时传输冷热进水口和出水口的温度给51单片机控制系统进行数据处理，并通过数码管显示温度，方便用户实时了解本系统温度情况。
[0059]恒温控制模块
[0060]本模块采取两级控制，便于提高恒温出水响应速度。主要由温度传感器、步进电机、阀芯和51单片机组成。
[0061 ]第一级，封装两个高精度DS18B20传感器，实时采集冷热进水管的水温。同时采用两个流量传感器采集冷热进水管的进水流量，将数据实时传递给51单片机。根据实际情况设计出水流量，建立数学方程，然后编程计算所需冷热水的比例。由51单片机控制步进电机调节阀芯的转动，达到设定出水温度。再通过理论计算与实验测试，得出从冷热水进水比例与步进电机转动角之间的关系，便于编程实现步进电机对阀门开合比例的控制。
[0062]第二级，实时采集出水口温度并判断是否达到设定温度。若温度偏低或者偏高，则将误差信号传递至51单片机，经过编程计算出冷热水的进水比例，驱动步进电机调节两管口进水比例。通过多次反复调节，使出水温度达到设定温度。为便于用户实时了解出水温度是否满足设定要求，将设定水温与出水温度显示在三位数码管上进行比较。
[0063]本装置采用单片机闭环控制以提高控制精度与系统响应速度。出水水温为主要控制信号，用以确定最终出水水温;冷热水流量及水温为前馈控制信号，用以进行冷热水比例预调节，两级控制提高系统的响应速度与动态性能。经实验测试，该装置能达到出水水温土10C的设计要求。其控制流程如图4所示。
[0064]水位监测及系统开关模块
[0065]水位检测模块主要由缓冲储水箱、流量传感器、水位检测传感器以及信号处理电路组成。通过实验选定恒温水流量，即缓冲水箱进水流量，同时实时检测进入真空沸腾式造水机的水流量，即缓冲水箱出水流量。由于出水流量会随造水机系统工作状态改变，为保证废热利用系统以及真空沸腾式造水机系统稳定运行，合理设计了缓冲储水箱的体积，并设置水位的上下阈值，通过水位检测传感器监测缓冲储水箱的水位是否在合理范围内。
[0066]从安全方面考虑，设计了系统开关模块，若缓冲水箱中高于上限阈值，则51单片机控制中心控制冷海水抽水栗停止工作，直至水位降至正常水平;若水位低于安全阈值，则驱动独立的冷水栗直接抽取冷海水以保证造水机的正常工作;若系统水压出现异常情况，则判定为系统故障。此时整体系统存在安全隐患，51单片机控制整体系统停止工作并驱动蜂鸣器报警。
[0067]显示模块
[0068]此模块利用51单片机、ili9325-8pins-bbk 2.4英寸彩屏，对系统恒温水出口的流量、温度以及缓冲水箱的水位进行实时显示，控制系统对压力传感器的检测数据等进行判断可得系统是否正常，并显示系统的工作状态。
[0069]基于上述系统，本发明的电磁涡流刹车的废热利用方法具体包括以下步骤:
[0070]电磁涡流刹车产生的废热水进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水重新参与循环，用于电磁涡流刹车冷却；
[0071]海水淡化设备排出来的高温浓盐水在第二热交换器中与原料海水进行二次热交换；
[0072]控制器采集温度传感器、流量传感器及水位检测传感器的数据，并根据采集的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度；
[0073]温度上升后的原料海水进入恒温阀，当恒温阀中的水温达到设定温度时，进入海水淡化设备中进行海水淡化；
[0074]海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。
[0075]本发明利用电磁涡流刹车的废热水为真空沸腾式造水机提供了辅助热源，提高了造水的效率和产量。通过热交换的方式直接利用废热水，避免了能量转换造成的损失，同时加快了废热水的冷却，便于其循环利用。
[0076]本发明不仅用于各种海上钻井平台，还可用于远洋船舶，解决淡水供应问题以及海洋热污染。具有应用范围广，体积小，成本低的特点，相信本装置投入实际生产中会具有广泛的应用前景以及良好的经济效益。
[0077]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种电磁涡流刹车的废热利用系统，其特征在于，包括电磁涡流刹车和海水淡化设备，两者之间连接换热恒温装置； 该换热恒温装置包括热交换模块、恒温阀、缓冲水箱模块，其中:所述热交换模块内设置有第一换热器和第二换热器，所述恒温阀内置有温度传感器;所述缓冲水箱模块内设置有缓冲储水箱、流量传感器和水位检测传感器;该换热恒温装置还包括控制器，该控制器根据采集的温度传感器、流量传感器、水位检测传感器的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度； 电磁涡流刹车产生的废热水进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水重新参与循环，用于电磁涡流刹车冷却；同时，海水淡化设备排出来的高温浓盐水在第二热交换器中与原料海水进行二次热交换，温度上升后的原料海水进入恒温阀，达到设定温度后进入海水淡化设备中进行海水淡化;与此同时海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括多条管路和预处理水箱，第一热交换器与电磁涡流刹车之间连接I号管路;第一热交换器与恒温阀之间连接2号管路；预处理水箱与第一热交换器之间连接6号管路； 第二热交换器与恒温阀之间连接3号管路，第二热交换器与海水淡化设备之间连接4号管路;电磁涡流刹车与第一热交换器之间还连接有水箱，水箱与第一热交换器之间通过5号管路连接;第二热交换器通过7号管路与6号管路连接； 原料海水被抽入预处理水箱，原料海水在经过预处理之后经分流阀流入6号管路与7号管路，分别进入两个热交换器； 电磁涡流刹车产生的废热水经I号管路进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水流入5号管路继续参与循环利用于电磁涡流刹车冷却，原料海水升温后进入2号管路；同时，海水淡化设备排出来的高温浓盐水流入4号管路，并与7号管路中的原料海水进行二次热交换;温度上升后的原料海水由3号管路与2号管路进入恒温阀，在控制器的控制下，恒温阀使原料海水的温度均匀达到设定温度，并进入海水淡化设备中进行海水淡化;与此同时海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一热交换器和第二热交换器均为板式热交换器。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述恒温阀还包括阀芯和步进电机； 所述温度传感器将实时采集的温度数据传输给控制器，控制器对温度数据进行处理后生成控制信号驱动步进电机调控阀芯开口度，当出水口温度低于设定要求时，步进电机带动阀芯运动，减小冷水口的开度，增加热水口的开度，使混水的热水比例增加，冷水比例下降，达到设定值。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热恒温装置还包括人机数码管显示界面，设置在所述换热恒温装置的箱体上，所述人机数码管显示界面通过串口与控制器连接。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人机数码管显示界面包括相连接的人机显示主机和彩屏。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述海水淡化设备为真空沸腾式造水机，且所述真空沸腾式造水机外接换热恒温装置的进水口水管、淡水出口水管和高温浓盐水出口水管。8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述步进电机为微型57系列步进电机。9.一种电磁涡流刹车的废热利用方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-8中任一项所述的系统，具体包括以下步骤: 电磁涡流刹车产生的废热水进入第一热交换器进行热交换，使第一热交换器中的原料海水温度升高，换热后废热水重新参与循环，用于电磁涡流刹车冷却； 海水淡化设备排出来的高温浓盐水在第二热交换器中与原料海水进行二次热交换； 控制器采集温度传感器、流量传感器及水位检测传感器的数据，并根据采集的数据控制缓冲水箱的出水流量和水位，以及恒温阀的出水温度； 温度上升后的原料海水进入恒温阀，当恒温阀中的水温达到设定温度时，进入海水淡化设备中进行海水淡化； 海水淡化设备产生的高温浓盐水换热后排放入海。
【文档编号】F25D1/02GK105953625SQ201610287088
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】张锦光, 陈倩, 李泽旭
【申请人】武汉理工大学