CN101149173A - 大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统 - Google Patents

Abstract

一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，属于海洋工程技术领域。本发明包括来流管，总进、出水管，软管，回流管，水泵，控制装置，温度计，流量计，支承结构，换热回路。本发明在需要冷量的海区内设置换热单元，冷媒水由输水管道送入海中的换热单元，换热单元是由若干阀门与管道组成的换热回路，换热后输送到用冷区域，供城市大规模空调系统使用。本发明结构简单，采用自来水作为冷媒水，不需要对海水进行处理，比常规的制冷系统节电90％以上，减轻城市电网负担，具有明显的节能意义。发展这种低能耗、低污染的城市区域供冷系统具有较大的社会和经济效益。

Description

大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统

技术领域

本发明涉及一种水下换热系统，尤其是一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，属于海洋工程技术领域。

技术背景

世界大洋中次表层海水常年保持较低温度，是一种良好的天然可再生冷源。我国沿海深度介于10-800米之间的海水，春夏季节水温为12-20℃，部分海域低达6-12℃，冷量提取较为方便，可以作为地区性空调系统的大规模冷源。例如夏季黄海中部洼地的深层和底部(约70米)的黄海冷水团，水温为4.6-9.3℃；南海介于300-500米水层之间低盐低氧的中层水温度为6-11℃；1000米以下的海盆区处的深层水温最低可达2.36℃，且无季节变化。东海黑潮中层水深度400-800米，温度6-15℃。

已有技术中，申请号为200510024184.6的“人工影响沿海城市分散小气候的海水引用系统”发明专利，是通过地下海水泵将大海中深度为0～400米之间的海水抽取并送入海水前处理装置处理后，送入绝热海水库，经海水加压泵送到各海水换热单元，经过处理后，排入大海。该专利是直接抽取海水制冷。由于次表层海水含有丰富的营养物质，大量抽取之后，海洋生物的生活环境会遭到破坏，而换热之后的海水被回排入浅海区，也会对局部的海洋环境产生很大的影响。

为了避免海水的污染和本身的腐蚀，利用海水冷量时，John Andrepont在《Integrationof energy storage with seawater air conditioning(SWAC)systems》(The Proceedings of the Innovative Energy Systems Workshop.Honolulu，2003，6-12)一文中提出采用冷媒水与海水进行陆上换热的方案，即把沿岸一定深度的海水抽取到岸上的换热站，与冷冻机组的冷却水进行换热后回排入海中，冷冻机组再联合水蓄冷或冰蓄冷的方式进行区域供冷；申请号为200610118891.6的“海洋供冷自来水作冷媒的建筑区域空调系统”发明专利，是将经快滤池、絮凝池、二次快滤池处理后的冷海水在板式换热器内与自来水换热，利用市政原有地下管网为自来水输送管道，使其发挥输水、输冷双重功能。该专利也是一种陆上换热方案。由于中央空调冷水机组供、回水温度一般为7℃、12℃。如果采用海水冷源和陆上换热方案，抽取的冷海水温度为4-6℃，其换热温差小、换热效率低。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，以大规模利用次表层海水的冷量，并且避免大量抽取海水上岸换热，达到低能耗、无污染地为城市区域空调提供冷量的目的，本发明提供一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统。

本发明是通过下述技术方案实现的。本发明在需要冷量的海区内设置换热单元，冷媒水由输水管道送入海中的换热单元，其中换热单元是由若干阀门与管道组成的换热回路，换热后输送到用冷区域。

本发明包括：来流管，水泵，控制装置，总进水管，软进管，软出管，总出水管，回流管，A温度计，A流量计，B温度计，B流量计，支承结构，A换热回路，B换热回路。其中A换热回路包括A1阀，A2阀，A3阀，A4阀，A5阀及其相应的管道，B换热回路包括B1阀，B2阀，B3阀，B4阀，B5阀及其相应的管道。来流管与水泵的进口连接，水泵的出口通过软进管的两端管接头与总进水管的一端连接，总进水管的另一端分别通过A换热回路，B换热回路与总出水管的一端连接。总出水管的另一端通过软出管、回流管与城市空调系统管网连接。

A换热回路中的A1阀的进口与总进水管连接，A1阀出口分别与A2阀、A4阀的进口连接。A2阀的出口分别与A3阀、A5阀的进口连接。A3阀的出口分别与A4阀和A5阀的出口连接，A3阀、A4阀和A5阀的出口与总出水管连接，  A流量计与A温度计均安装在A换热回路与总出水管连接的管道上，以测量管内流过的冷媒水流速与温度，并反馈到控制装置。B换热回路中的B1阀的进口与总进水管连接，B1阀出口分别与B2阀、B4阀的进口连接。B2阀的出口分别与B3阀、B5阀的进口连接。B3阀的出口分别与B4阀和B5阀的出口连接，B3阀、B4阀和B5阀的出口与总出水管连接，B流量计与B温度计均安装在B换热回路与总出水管连接的管道上，以测量管内流过的冷媒水流速与温度，并反馈到控制装置。

软进管和软出管都是光滑的柔性导管，由聚氯乙稀材质制作。A换热回路、B换热回路都采用10CrMoAl钢管制作，管道外敷以150-200微米厚的喷铝涂层和40微米WRF8406封闭涂层，再敷以40微米厚的WRF8401面漆涂层，以达良好的防腐防污性能。WRF8406的主要材料为磷酸盐系和氧化铁红；WRF8401的主要基料是铝粉。安置于水下的其余管路，如总进水管和总出水管，都采用含铬18％的300系列不锈钢管材制作，以保证抵制点蚀和间隙腐蚀。

水下换热回路通过换热单元固定结构固定在水下。当本发明采用适合温度的海水所处海域水深较深时，换热单元固定结构采用海底支承结构。当海底沉积物较软时，支承结构采用桩基础结构；在海底比较坚硬的海域，支承结构采用重力式基础结构，换热回路与支承结构通过管支架连接。当本发明采用适合温度的海水所处海域水深较浅时，换热单元固定结构采用浮筒悬挂结构，浮筒与换热回路通过悬挂索悬挂连接。

A1阀、A2阀、A3阀、A4阀、A5阀和B1阀、B2阀、B3阀、B4阀、B5阀都是电动截止阀，由控制装置控制开闭。控制装置的输出端分别与A1阀、A2阀、A3阀、A4阀、A5阀、B1阀、B2阀、B3阀、B4阀、B5阀以及水泵的控制端电联接，控制装置的输入端分别与A温度计、B温度计、A流量计、B流量计的输出端馈线联接。在开始工作时，A1阀与A4阀打开，A2阀、A3阀与A5阀都关闭。以水质达到自来水标准的常温水作为冷媒水，经来流管由水泵加压，通过软进管由总进水管经A1阀进入A换热回路。冷媒水吸收海水冷量后，经A4阀流入总出水管。在进入总出水管前，流经A温度计并被测温。当水温尚未达到要求的低温时，控制装置打开A2阀与A5阀，并关闭A4阀，使后续的冷媒水经过A1阀、A2阀、A5阀，再流入总出水管，冷媒水的换热路径延长，增强了换热效应。如果此时A温度计测得的温度值仍未达到要求的低温，控制装置打开A3阀，关闭A5阀，进一步延长冷媒水的换热路径，降低冷媒水的出水温度。当A流量计测得的冷媒水流速达到0.2m/s以上时，控制装置打开B1阀，使B换热回路参加工作。B换热回路的冷媒水的换热路径的控制，与A换热回路控制完全相同。

A换热回路和B换热回路是水下换热单元，为了使换热所需的水泵功消耗最少，根据优化设计计算，A换热回路和B换热回路的管径以0.7米为最佳值，管内流速以0.1m/s为最佳值。因此，当A换热回路和B换热回路都参加工作后，冷媒水的管内流速仍然超过0.2m/s时，在总体方案设计中则应设置更多的直径为0.7米的换热回路与A换热回路、B换热回路并联，使冷媒水有更多的分流冷却回路，它们与A换热回路、B换热回路协同工作，使冷媒水在换热时的流速尽量达到最佳值。吸取次表层海水冷量的冷媒水，经由总出水管和软出管进入回流管，供城市大规模空调系统使用。

本发明的有益效果：本发明采用自来水作为冷媒水，不需要对海水进行处理，不会出现管道堵塞现象，适用于盐度较高的海区。能明显提高海水冷量的利用率；无需抽取大量营养丰富的次表层海水；保护海洋中动植物的生活环境；比常规的制冷系统节电90％以上；输送等量的冷媒水，按本发明的布置和管径流速可以节能，提高换热效率，水下海水冷量提取方案的耗功仅为陆上海水冷量提取方案的13％。我国东部沿海地区人口集中，经济发达，消耗能源多，建筑空调的能源消耗比重特别大，大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统能够利用冷海水这种良好的天然可再生能源为城市区域提供冷量，大大减少电能消耗，减轻城市电网负担。具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明系统的结构原理俯视图。

图2是换热单元固定结构采用海底支承结构的侧视示意图。

图3是换热单元固定结构采用浮筒悬挂结构的侧视示意图。

图中：1、来流管，2、水泵，3、控制装置，4、总进水管，5、软进管，6、A1阀，7、A2阀，8、A3阀，9、A4阀，10、A5阀，11、B1阀，12、B2阀，13、B3阀，14、B4阀，15、B5阀，16、A温度计，17、A流量计，18、B温度计，19、B流量计，20、软出管，21总出水管，22、回流管，23、管支架，24、支承结构，25、悬挂索，26、浮筒，27、A换热回路，28、B换热回路，29、海岸，30、海床。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1、图2、图3所示，本发明包括：来流管1，水泵2，控制装置3，总进水管4，软进管5，A温度计16，A流量计17，B温度计18，B流量计19，软出管20，总出水管21，回流管22，支承结构24，A换热回路27，B换热回路28。其中A换热回路27包括A1阀6，A2阀7，A3阀8，A4阀9，A5阀10及其相应的管道，B换热回路28包括B1阀11，B2阀12，B3阀13，B4阀14，B5阀15及其相应的管道。来流管1与水泵2的进口连接，水泵2的出口通过软进管5的两端管接头与总进水管4一端连接，总进水管4另一端分别通过A换热回路27，B换热回路28与总出水管21的一端连接。总出水管21另一端通过软出管20的两个管接头和回流管22可靠连接后再与城市空调系统管网连接。

A换热回路27中的A1阀6的进口与总进水管4连接，A1阀6的出口分别与A2阀7、A4阀9的进口连接。A2阀7的出口分别与A3阀8、A5阀10的进口连接。A3阀8的出口分别与A4阀9和A5阀10的出口连接，A3阀8、A4阀9和A5阀10的出口与总出水管21连接，A流量计17与A温度计16均安装在A换热回路27与总出水管21连接的管道上，以测量管内流过的冷媒水的流速与温度，并反馈到控制装置3。B换热回路28中的B1阀11的进口与总进水管4连接，B1阀11的出口分别与B2阀12、B4阀14的进口连接。B2阀12的出口分别与B3阀13、B5阀15的进口连接。B3阀13的出口分别与B4阀14和B5阀15的出口连接，B3阀13、B4阀14和B5阀15的出口与总出水管21连接，B流量计19与B温度计18均安装在B换热回路28与总出水管21连接的管道上，以测量管内流过的冷媒水的流速与温度，并反馈到控制装置3。

软进管5和软出管20都是光滑的柔性导管，由聚氯乙稀材质制作。A换热回路27、B换热回路28都采用10CrMoAl钢管制作，管道外敷以150-200微米厚的喷铝涂层和40微米WRF8406封闭涂层，再敷以40微米厚的WRF8401面漆涂层，以达良好的防腐防污性能。WRF8406的主要材料为磷酸盐系和氧化铁红；WRF8401的主要基料是铝粉。安置于水下的其余管路，如总进水管4和总出水管21，都采用含铬18％的300系列不锈钢管材制作，以保证抵制点蚀和间隙腐蚀。

A换热回路27、B换热回路28均通过换热单元固定结构固定在水下。当本发明采用适合温度的海水所处海域水深较深时，换热单元固定结构采用海底支承结构24。当海底沉积物较软时，支承结构24采用桩基础结构；在海底比较坚硬的海域，支承结构24采用重力式基础结构，支承结构24与A换热回路27、B换热回路28通过管支架23连接。当本发明采用适合温度的海水所处海域水深较浅时，换热单元固定结构采用浮筒悬挂结构，浮筒26与A换热回路27、B换热回路28以悬挂索25悬挂连接。

A1阀6、A2阀7、A3阀8、A4阀9、A5阀10和B1阀11、B2阀12、B3阀13、B4阀14、B5阀15都是适用于海水的电动截止阀，由控制装置3控制开闭。控制装置3的输出端分别与A1阀6、A2阀7、A3阀8、A4阀9、A5阀10、B1阀11、B2阀12、B3阀13、B4阀14、B5阀15以及水泵2的控制端电联接，控制装置3的输入端分别与A温度计16、B温度计18、A流量计17、B流量计19的输出端馈线联接。

开始工作时，A1阀6与A4阀9打开，A2阀7、A3阀8与A5阀10都关闭。以水质达到自来水标准的常温水作为冷媒水，经来流管1由水泵2加压，通过软进管5由总进水管4经A1阀6进入A换热回路27。冷媒水吸收海水冷量后，经A4阀9流入总出水管21。在进入总出水管21前，流经A温度计16并被测温。当水温尚未达到要求的低温时，控制装置3打开A2阀7和A5阀10并关闭A4阀9，使后续的冷媒水经过A1阀6、A2阀7、A5阀10，再流入总出水管21，冷媒水的换热路径延长，增强了换热效应。如果此时A温度计16测得的温度值仍未达到要求的低温，控制装置3打开A3阀8，关闭A5阀10，进一步延长冷媒水的换热路径，降低冷媒水的出水温度。当A流量计17测得的冷媒水流速达到0.2m/s以上时，控制装置3打开B1阀11，使B换热回路28参加工作。B换热回路28的冷媒水的换热路径的控制，与A换热回路27控制完全相同。

A换热回路27和B换热回路28是水下换热单元，为了使换热所需的水泵功消耗最少，根据优化设计计算，A换热回路27和B换热回路28的管径为0.7±0.1米，管内流速为0.1±0.05m/s。如果，当A换热回路27和B换热回路28都参加工作后，冷媒水的管内流速仍然超过0.2m/s时，在总体方案设计中则应设置更多的直径为0.7±0.1米的换热回路与A换热回路27、B换热回路28并联，使冷媒水有更多的分流冷却回路，它们与A换热回路27、B换热回路28协同工作，使冷媒水在换热时的流速尽量达到最佳值。吸取次表层海水冷量的冷媒水，经由总出水管21和软出水管20进入回流管22，供城市大规模空调系统使用。

Claims (5)

1.一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，包括：来流管(1)、水泵(2)、控制装置(3)、总进水管(4)、软进管(5)、A温度计(16)、A流量计(17)、B温度计(18)、B流量计(19)、软出管(20)、总出水管(21)、回流管(22)、A换热回路(27)、B换热回路(28)，其中A换热回路(27)包括A1阀(6)、A2阀(7)、A3阀(8)、A4阀(9)、A5阀(10)及其相应的管道，B换热回路(28)包括B1阀(11)、B2阀(12)、B3阀(13)、B4阀(14)、B5阀(15)及其相应的管道，其特征在于：A换热回路(27)和B换热回路(28)置于水下，并通过换热单元固定结构固定；来流管(1)与水泵(2)的进口连接，水泵(2)的出口通过软进管(5)的两端管接头与总进水管(4)一端连接，总进水管(4)另一端分别通过A换热回路(27)，B换热回路(28)与总出水管(21)的一端连接，总出水管(21)的另一端通过软出管(20)的两个管接头与回流管(22)可靠连接；A换热回路(27)中的A1阀(6)的进口与总进水管(4)连接，A1阀(6)的出口分别与A2阀(7)、A4阀(9)的进口连接，A2阀(7)的出口分别与A3阀(8)、A5阀(10)的进口连接，A3阀(8)的出口分别与A4阀(9)和A5阀(10)的出口连接，A3阀(8)、A4阀(9)和A5阀(10)的出口与总出水管(21)连接，A流量计(17)与A温度计(16)均安装在A换热回路(27)与总出水管(21)连接的管道上；B换热回路(28)中的B1阀(11)的进口与总进水管(4)连接，B1阀(11)的出口分别与B2阀(12)、B4阀(14)的进口连接，B2阀(12)的出口分别与B3阀(13)、B5阀(15)的进口连接，B3阀(13)的出口分别与B4阀(14)和B5阀(15)的出口连接，B3阀(13)、B4阀(14)和B5阀(15)的出口与总出水管(21)连接，B流量计(19)与B温度计(18)均安装在B换热回路(28)与总出水管(21)连接的管道上；控制装置(3)的输出端分别与A1阀(6)、A2阀(7)、A3阀(8)、A4阀(9)、A5阀(10)、B1阀(11)、B2阀(12)、B3阀(13)、B4阀(14)、B5阀(15)以及水泵(2)的控制端电联接，控制装置(3)的输入端分别与A温度计(16)、B温度计(18)、A流量计(17)、B流量计(19)的输出端馈线联接；软进管(5)和软出管(20)都是光滑的柔性导管，由聚氯乙稀材质制作；A换热回路(27)和B换热回路(28)的管道都采用10CrMoAl钢管制作，管径为0.7±0.1米，管道外敷以150-200微米厚的喷铝涂层和40微米WRF8406封闭涂层，再敷以40微米厚的WRF8401面漆涂层；A换热回路(27)和B换热回路(28)内，冷媒水设计流速为0.1±0.05m/s。

2.根据权利要求1所述的一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，其特征是所述的WRF8406封闭涂层的主要材料为磷酸盐和氧化铁红；WRF8401面漆涂层的主要基料是铝粉。

3.根据权利要求1所述的一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，其特征是所述的总进水管(4)和总出水管(21)都采用含铬18％的300系列不锈钢管材制作。

4.根据权利要求1所述的一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，其特征是所述的换热单元固定结构是采用海底支承结构(24)或浮筒(26)和悬挂索(25)的悬挂结构。

5.根据权利要求1和权利要求4所述的一种大规模提取次表层海水冷量的水下换热系统，其特征是所述的支承结构(24)是采用桩基础结构或重力式基础结构。

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