CN103935501A - 舰船免海水泵高效自冷却方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于船舶及其它水中航行物的自冷却方法及系统。该方法取消海水泵，基于高效相变换热的基本原理，充分利用细薄膜蒸发的高效相变传热、脉动流动的强化传热以及高效自清洁表面冷凝强化传热等多种强化传热手段相结合，构建舰船壳体与废热热源之间高效换热通道，系统产生的废热通过这一高效换热通道快速传递到部分舰船壳体上，随着舰船在水中航行，废热将最终通过壳体自动散失到航行环境中。该方法具有能耗低、噪声小、设备不与海水直接接触、日常维护管理极其方便以及可在一定程度上抑制船舶污底等显著特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶自冷却方法，即取消船用海水泵，充分利用舰船壳体这一巨大冷源，通过高效传热通道将船上设备所产生的废热传递至舰船壳体上，随着舰船在水中航行，废热将最终通过壳体散失到航行环境中。主要用于各类船舶、军舰、潜艇等水中航行物上。
背景技术
在柴油机燃烧过程中放出的热量约有30％要经过气缸、气缸盖和活塞等部件散向外界。在船上除了主柴油机会产生大量废热外，其它辅助设备在工作工程中有也有不少的废热产生，为能将这些热量散出，保证各种设备能正常稳定工作，现代舰船上必须设置冷却系统。船舶冷却系统是船舶动力装置的重要组成部分，是船舶安全可靠运行的重要保证。船上冷却系统主要分为三大类，即，开式冷却系统、闭式冷却系统和中央冷却系统。由于在中央冷却系统中，与海水直接接触的设备、管路以及阀件大为减少，系统的维修工作量少，因而在现代舰船上得到了广泛应用。
虽然中央冷却系统具有一定优点并在现代船舶上广泛应用，但是其仍然存在一定问题。第一，海水必须经过船内，仍然存在与海水直接接触的设备，需要经常对海水换热系统进行维护保养，系统复杂，日常维护管理工作繁重；第二，海水换热器必须采用钛合金制作，价格昂贵，且被国外公司垄断；第三，为引入海水进行换热，必须采用大功率海水泵，耗能严重，同时会引起冷却系统的振动与噪声。
现代船舶正向大型化、高速化以及节能化方向发展，船舶的大型化以及高速化会要求系统功率越来越大，随之会产生越来越多的废热，冷却系统也将越来越庞大，耗能也会越来越高，维护的工作量也将越来越繁重。这显然与船舶节能以及行业的发展需求背道而驰。虽然动力系统散发出来的热量我们称之为废热，但其本身也是能量，只是这种能量的品位较低，不容易利用，而被散失到环境中去而已。显然，如何高效的将这部分废热散失到环境中去，甚至对这些废热加以利用就成为船舶工业以及交通运输业需要重点考虑的课题。
发明内容
解决方案：舰船在水中航行，舰船壳体与水域直接接触，壳体与所在水域温度基本保持一致，另外壳体具有巨大的表面积，因而壳体就是一个巨大冷源，若通过某一高效传热通道将船上设备所产生的废热传递至部分舰船壳体上，随着舰船在水中航行，废热将最终通过壳体自动散失到航行环境中。因此，本发明提出舰船免海水泵高效自冷却方法。
舰船免海水泵高效自冷却方法就是取消海水泵，基于高效换热的基本原理，充分利用细薄膜蒸发的高效相变传热、脉动流动的强化传热以及高效自清洁表面冷凝强化传热等多种强化传热手段相结合，构建舰船壳体与废热热源之间高效换热通道，系统产生的废热通过这一高效换热通道快速传递到部分舰船壳体上，随着舰船在水中航行，废热将最终通过壳体自动散失到航行环境中。其基本原理如附图1所示。
该系统主要由通过壳体的高效海水换热通道，低温淡水回路以及高温淡水同路组成。在高温淡水回路中，船舶主机7产生的废热，将通过由高温淡水调节阀5以及高温淡水泵6所调节以及输送的高温淡水带走；在低温淡水回路中，其它发热设备所产生的热量将通过各低温分冷器4由低温淡水调节阀2以及低温淡水泵3所调节以及输送的低温淡水带走；由高温回路以及低温回路所带出的热量将流入高效换热通道8中所设置的高效蒸发换热器1中，热量将在高效相变传热的作用下，经高效换热通道8传递至船壳9上，随后热量将经船壳最终散入水域中。
如附图2所示，高效换热通道8主要由高效蒸发换热器1、船壳9、工质10以及绝热盖板13构成，高效换热通道由绝热盖板13沿船壳9构成一封闭通道，在通道的底部设置高效蒸发换热器1，封闭通道中充入部分工质10使高效蒸发换热器1全部浸入工质10中，封闭通道在不工作状态下，即不发生相变情况下，其内部压力小于等于一标准大气压。高效蒸发换热器1与工质10接触的表面加工成具有毛细微结构 的亲水表面，用于换热的船壳9的内表面加工成具有微结构的超疏水表面，当热量输入高效蒸发换热器1中，工质10将在高效蒸发换热器1的表面蒸发吸热形成汽化工质12，汽化工质12在浮升力作用下快速扩散至船壳9的内表面并在其上凝结释放热量，在重力以及表面弹跳力作用下形成液态回流工质11与工质10汇合，开始新下一轮的循环，这样热量将被快速地输送到船壳9上，并最终散失到水域中。
本发明所述的舰船免海水泵高效自冷却方法具有如下突出优点：
①由于取消了大功率海水泵，废热自动通过高效换热通道传递到舰船壳体上，冷却系统的耗能量将大幅度降低，从而节约能源，提高船舶续航力，同时可有效降低系统的振动与噪声；
②由于海水不与舰船冷却系统设备直接接触，有效降低系统复杂程度，大幅降低系统日常维护管理以及维修等工作；
③由于取消了大功率海水泵以及昂贵的钛合金换热器等，这将有效降低系统成本；
④已有研究结果表明，在温度达到30℃时软体海洋污损生物将无法在船体附着，东方小藤壶等中国北方海域典型海洋污损生物将全部死亡。在本发明所提出的免海水泵高效自冷却方法中，动力系统产生的废热将经过部分舰船壳体散失到水域中，舰船壳体温度将升高。这也就意味着，在良好设计的前提下，使舰船壳体经常高于30℃，这将有效抑制船舶污底的发生，从而对废热进行有效利用，达到进一步节能降耗的效果。
附图说明
本发明共有2张附图，其中：
图1为舰船免海水泵自冷却系统基本原理示意图；
图2为高效换热通道示意图。
图中：1为高效蒸发换热器，2为低温淡水调节阀，3为低温淡水泵，4为各低温分冷器，5为高温淡水调节阀，6为高温淡水泵，7为船舶主机，8为高效换热通道，9为船壳，10为工质，11为液态回流工质，12汽化工质，13为绝热盖板。
具体实施方式
如附图2所示，根据船舶系统实际发热量的大小，以舷外海水温度为32℃以及船舶航速5m／s进行设计，选择导热性能相对较高的金属合金作为用于导热部分的船壳9，计算所需的船壳换热面积；选择水及其纳米流体等低沸点流体为工质10，按照换热量计算所需工质10的量，同时基于相变传热及其强化技术手段，设计高效蒸发换热器1；高效蒸发换热器1与工质10接触的表面加工成具有毛细微结构的亲水表面，用于换热的船壳9的内表面加工成具有微结构的超疏水表面。充分利用船舶双层底以及侧弦，选择导热性能差的材料作为绝热盖板13，将工质10以及高效蒸发换热器1放置在高效换热通道8的底部，由高效蒸发换热器1、船壳9、工质10以及绝热盖板13构成封闭的高效换热通道8。根据船舶实际要求以及功率大小选择或者设计合适的部件2～7以及相关管道，按照附图1所示进行连接组装，合理布置于船舶机舱(图中未显示)合适位置。
系统工作时，通过高温淡水调节阀5来调整进入船舶主机7中冷却水的温度，通过低温淡水调节阀3来调整进入各低温分冷器中冷却水的温度，由高温回路以及低温回路所带出的热量最终将流入高效换热通道8中所设置的高效蒸发换热器1中，在热量进入高效蒸发换热器1后，工质10将在高效蒸发换热器1的表面产生高效相变，形成汽化工质12并带走热量，汽化工质12将经高效换热通道8至船壳9上，汽化工质12将在船壳9的表面遇冷、释放热量，所释放的热量将经船壳9最终散入水域中。汽化工质12在冷凝后形成液态，在重力以及表面张力等作用下形成液态同流工质11，沿高效换热通道8回流至高效蒸发换热器1的表面，开始下一轮循环工作。
Claims (6)
1.一种舰船免海水泵高效自冷却方法，其特征在于：冷却系统中取消海水泵，基于高效相变换热的基本原理，构建舰船壳体与废热热源之间高效换热的封闭通道，系统产生的废热最终通过高效换热通道，经由舰船壳体自动散失到航行环境中。
2.一种舰船高效换热通道，其特征在于：高效换热通道由绝热盖板(13)沿船壳(9)构成一封闭通道，在通道的底部设置高效蒸发换热器(1)，封闭通道中充入部分工质(10)使高效蒸发换热器(1)全部浸入工质(10)中。
3.根据权利2所述的舰船高效换热通道，其特征在于：高效蒸发换热器(1)与工质(10)接触的表面加工成具有毛细微结构的亲水表面，用于冷凝换热的船壳(9)的内表面加工成具有微结构的疏水表面，高效蒸发换热器(1)上设有冷却水的进出口。
4.根据权利2所述的舰船高效换热通道，其特征在于：封闭通道在不工作状态下，即不发生相变情况下，其内部压力小于等于一标准大气压。
5.根据权利2所述的舰船高效换热通道，其特征在于：封闭通道中充入的工质(10)为水、酒精、丙酮及其纳米流体溶液。
6.一种舰船免海水泵高效自冷却系统，其特征在于：冷却系统主要由通过壳体的高效换热通道(8)，低温淡水回路以及高温淡水回路组成，在高温淡水回路中，船舶主机(7)产生的废热，将通过由高温淡水调节阀(5)以及高温淡水泵(6)所调节以及输送的高温淡水带走，在低温淡水回路中，其它发热设备所产生的热量将通过各低温分冷器(4)由低温淡水调节阀(2)以及低温淡水泵(3)所调节以及输送的低温淡水带走，由高温淡水回路以及低温淡水回路所带出的热量将流入高效换热通道(8)中所设置的高效蒸发换热器(1)中，在热量进入高效蒸发换热器(1)后，工质(10)将在高效蒸发换热器(1)的表面产生高效相变，形成汽化工质(12)并带走热量，汽化工质(12)将经高效换热通道(8)至船壳(9)上，汽化工质(12)将在船壳(9)的表面遇冷、释放热量，所释放的热量将经船壳(9)最终散入水域中。
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