CN104775910A - 一种南极发电舱的温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种南极发电舱的温控装置，在发电舱内设置有储油箱以及发电机组，包括置于发电舱内的组合式热管均温系统和直燃式控温系统，组合式热管均温系统包括环路脉动热管和轴向吸液芯热管，轴向吸液芯热管以阵列方式设置在储油箱内，环路脉动热管的冷凝段设置在轴向吸液芯热管的蒸发段，环路脉动热管的蒸发段设置在发电机组的排烟管上；直燃式控温系统包括油阀、输油管、感温器、连杆以及温控炉，感温器包括密封腔、设置在密封腔内的相变材料以及位于密封腔内且在相变材料体积变化时能够在密封腔内移动的隔板。本发明提高了发电舱的能源利用效率，实现了发电舱在无人值守状况下的温度实时调控。

Description

一种南极发电舱的温控装置

技术领域

本发明涉及一种应用于南极天文观测站发电舱的温控装置。

背景技术

南极内陆地区能够观测到具有全球尺度特征的气候环境变化信息，是开展极端环境下大气观测和冰芯研究的理想区域。中国南极科考队于2005年1月第一次登顶南极内陆最高点Dome A地区，并逐步在该地区建立了我国第四座南极科考站-昆仑站。为实现对南极天文、气象等的自动观测，需要安全可靠的科考支撑平台提供保障。科考支撑平台的能源供给由位于发电舱内的发电设备提供。但南极内陆环境温度极低，且气候多变、昼夜温差较大，因而要求发电舱具有良好的温度控制调节功能。舱内柴油机组在工作过程中排出的烟气产生大量余热，若将这部分余热加以利用对于提高能源利用效率和保障舱内储油箱防冻保温具有重要意义。另外，由于发电舱在进行热设计及热管理时，以舱内设备额定工作的散热量为基准，考虑到可能出现的极端低温气候条件以及舱内设备产热量少于额定工况时，舱内温度将低于设备正常工作的范围内，这将影响舱内设备器件的安全可靠运行。这就需要根据舱内的实时温度，通过温控装置对舱内温度进行控制和调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提高能源利用效率、实现舱内柴油储油箱防冻处理以及保障南极发电舱内温度处于合理范围，提供一种基于组合式热管均温系统和直燃式控温系统的南极发电舱自动温控装置。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种南极发电舱的温控装置，在发电舱内设置有储油箱以及发电机组，其特征在于：包括置于发电舱内的组合式热管均温系统和直燃式控温系统，所述的组合式热管均温系统包括环路脉动热管和轴向吸液芯热管，所述轴向吸液芯热管设置在储油箱内，所述环路脉动热管的冷凝段设置在所述的轴向吸液芯热管的蒸发段，所述环路脉动热管的蒸发段设置在发电机组的排烟管上；所述直燃式控温系统包括油阀、输油管、感温器、连杆以及温控炉，所述油阀设置在所述储油箱的出油口，在油阀的下端连接所述连杆，所述感温器包括密封腔、设置在密封腔内的相变材料以及位于密封腔内且在所述相变材料体积变化时能够在所述密封腔内移动的隔板，所述连杆的另一端连接在所述隔板上；所述温控炉通过输油管与所述出油口连接，在温控炉上端设置有与所述油阀同步控制的点火装置以及通过所述点火装置进行燃烧并向外散热的燃烧室。

所述环路脉动热管为由毛细管经多个弯折而构成的里面充有用于实现热量在逆重力方向传递而不需要消耗外界泵功的气液两相流体的回路系统；所述的轴向吸液芯热管为轴向槽道热管、轴向金属丝网热管、轴向多孔芯热管这三种热管中的任何一种。

组合式热管均温系统的利用可提高能源利用效率并实现发电舱内储油箱的防冻保温。

在所述燃烧室外表面设置有散热片。

所述点火装置包括触发器、单片机和点火器，所述触发器布置于所述油阀上部，并与所述单片机的输入端相连，所述单片机的输出端与所述点火器连接。

所述密封腔被所述隔板分为上腔体和下腔体，所述相变材料位于上腔体内，在下腔体内设置有惰性气体。

所述相变材料为氨气、乙烯或乙烷；所述惰性气体为氮气或氦气。

本发明温控装置包括两套温控系统，分别为组合式热管均温系统和直燃式控温系统，其中组合式热管均温系统采用两种类型热管，即环路脉动热管和轴向吸液芯热管。环路脉动热管组成一级换热装置，由轴向吸液芯热管组成二级换热装置。环路脉动热管的蒸发段缠绕于柴油发电机组的排烟管，与位于储油箱中的环路脉动热管冷凝段形成闭合回路。轴向吸液芯热管以阵列方式布置于储油箱中，其蒸发段与环路脉动热管的冷凝段换热。

直燃式控温系统包括油阀、输油管、感温器、连杆、温控炉和点火装置。油阀经连杆与感温器相连，连杆部分置于输油管内。感温器一端装有遇冷凝结的相变材料，另一端填充惰性气体。发电舱的储油箱设置出油口，出油口经输油管与温控炉连接。

连杆在输油管内部分为套筒式结构，以避免燃油流向温控炉时带动连杆向下移动。

油阀由感温器控制，油阀开启后，储油箱内燃油在重力的作用下经输油管注入温控炉。

温控炉包括燃烧室和尾气管道，燃烧室壁面具有翅片结构，以增大与发电舱内空气的换热面积。尾气管道连接在温控炉顶部。

环路脉动热管的蒸发段从排烟管吸收热量，通过热管内部工质的脉动流动将排烟管中热量向下传递。

所述环路脉动热管均热器由一根细长的金属圆管弯曲而成，热管内部充注工作液体。所述的工作液体为水、甲醇、乙醇等。

环路脉动热管为一级换热装置，其蒸发段具有独立的螺旋结构，相邻的螺旋结构延伸至舱体下部进行连接。环路脉动热管内工作液体在表面张力的作用下在热管内形成长度不一的液柱和气塞。环路脉动热管运行时，各个独立的螺旋结构从排烟管吸收热量，内部工作液体受热蒸发产生气泡，迅速膨胀和升压，推动液柱和气塞在竖直方向上向下做不稳定的脉动流动，从而将排烟管中热量从蒸发段传递至冷凝段，实现由排烟管至储油箱体的热量传递。

所述环路脉动热管的冷凝段以螺旋状缠绕在轴向吸液芯热管的蒸发段上。轴向吸液芯热管为二级换热装置，以阵列方式布置于储油箱中。其蒸发段与储油箱中环路脉动热管的冷凝段换热，将热量由储油箱中心面偏下位置传递至整个储油箱空间，实现热量由面至体的传递。

轴向吸液芯热管的蒸发段从环路脉动热管的冷凝段吸收热量，蒸发段内工作液吸热蒸发，蒸气在压力差的作用下向所述的储油箱中部流动，蒸气遇冷凝结，蒸气释放出的潜热通过热管壁传递给储油箱中的燃油。集聚在冷凝段中的凝结液在毛细力的作用下返回蒸发段参与下一个工作循环。

感温器被隔板隔开，感温器下端填充惰性气体。惰性气体为氮气、氦气等。上端填充相变材料。相变材料为氨气、乙烯、乙烷等。在舱内设备正常工作的温度范围内，相变材料为气态，且两端压强处于平衡状态，此时，连杆拉下所述的出油阀，使其处于关闭状态。

当舱内温度低于设备正常工作的临界温度时，相变材料受冷液化，感温器上端压强降低，感温器下端的惰性气体推动挡板向上移动，挡板带动所述的连杆开启出油阀，出油阀开启时触动触发器，触发器将信号传递给单片机处理，由单片机控制打开点火器，燃油在燃烧室内燃烧，热量通过具有翅片结构的温控炉壁面传递至舱内，尾气通过管道排至舱外。当舱内温度升至其内部设备正常工作的范围内时，感温器上端的凝结液吸热汽化、压强增大，推动所述的隔板向下移动，带动连杆关闭出油阀。

有益效果

1.本发明采用组合式热管均温系统，将柴油发电机组排烟管中的余热传递至储油箱内各个位置，既可提高发电舱的能源利用效率，也可实现对发电舱内储油箱的防冻保温。

2.本发明采用直燃式控温系统维持舱内空气温度处于设备正常工作的温度范围。并且，通过感温器与温控炉自动调节舱内空气温度，实现了发电舱在无人值守状况下的温度实时调控。

附图说明

图1为本发明的温控装置立体结构示意图。

图2为直燃式温控系统的结构示意图。

图3为组合式热管均温系统的结构示意图。

图4为环路脉动热管的工作原理图。

图5为本发明中轴向槽道热管示意图；

图6为图5槽道热管几种槽道形状示意图，其中6a为矩形、6b为正梯形、6c为倒梯形，6d为三角形、6e为Ω形等形状的槽道。

图7为直燃式温控系统的工作原理图。

附图标记说明：

1-发电舱；2-柴油发电机组；3-储油箱；4-排烟管；5-环路脉动热管蒸发段；6-出油口；7-环路脉动热管冷凝段；8-轴向吸液芯热管；9-油阀；10-连杆；11-套管；12-感温器；13-隔板；14-相变材料；15-惰性气体；16-输油管；17-温控炉；18-燃烧室；19-尾气管道；20-触发器；21-单片机；22-点火器；23-翅片。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

如图1至图2所示，一种南极发电舱的温控装置，包括组合式热管均温系统和直燃式控温系统。该温控装置置于发电舱1内。发电舱1包括柴油发电机组2、储油箱3和排烟管4。环路脉动热管均热器包括蒸发段5和冷凝段7。蒸发段5缠绕于排烟管4上，冷凝段7则位于储油箱3中。储油箱上布置出油口6，出油口6与直燃式控温系统连接。直燃式控温系统包括油阀9、连杆11、感温器12、输油管16、温控炉17和点火装置。出油阀9经连杆11与感温器12相连。点火装置包括触发器20、单片机21和点火器22。单片机21的输入端连接触发器20，输出端与点火器22连接。

图4给出了环路脉动热管均热器的结构及工作原理示意图。环路脉动热管为一级换热装置，其蒸发段5以螺旋结构缠绕于柴油机组排烟管4上，由于环路脉动热管的通道尺寸较小，内部工作液体在表面张力的作用下形成大小不等的气塞与液柱。环路脉动热管的蒸发段5从排烟管4吸收热量，蒸发段内工作液体受热蒸发产生气泡，迅速膨胀和升压。气泡的生成及气塞的膨胀构成环路脉动热管运行的动力。环路脉动热管运行时，不断伴随有新的气塞和液柱生成，环路脉动热管内部工质逐渐形成稳定的单向循环流动，液柱和气塞在冷凝段被冷却，这样便将排烟管产生的热量均匀的传递至竖直方向各个位置，实现热量由点至面的传递。

轴向吸液芯热管为二级换热装置，以阵列方式布置于储油箱中。轴向吸液芯热管为轴向槽道热管、轴向金属丝网热管、轴向多孔芯热管这三种热管中的任何一种。其中，轴向槽道热管可以采用如矩形、梯形、三角形、Ω形等形状的槽道，参见图6所示。

轴向吸液芯热管的蒸发段与储油箱中环路脉动热管的冷凝段换热，蒸发段内工作液体吸热蒸发，蒸气在压力差的作用下向储油箱中部流动，蒸气遇冷凝结，蒸气释放出的潜热通过热管壁传递给储油箱中的燃油。集聚在冷凝段中的凝结液在毛细力的作用下返回到蒸发段参与下一个工作循环。这样便将热量由储油箱中心面偏下位置传递至整个储油箱空间，实现热量由面至体的传递。从而有效改善舱内温度分布不均匀的现象。

图7给出了温度调节系统的工作原理示意图。当发电舱1内的温度超过舱内设备正常工作的温度范围时，感温器内的相变材料14受冷液化，感温器上端压强降低，下端的惰性气体15推动隔板13向上运动顶开油阀9。储油箱内的燃油在重力的作用下经输油管16注入温控炉17中。油阀开启时触动触发器20，触发器将信号传递给单片机21进行处理，由单片机控制开启点火器22，燃油在燃烧室18内燃烧，燃烧室通过壁面的翅片结构23与舱内空气进行充分的热量交换。当舱内温度升至其内部设备正常工作的范围时，感温器内的液体吸热汽化，感温器上端压强增大，推动隔板13向下移动，带动连杆11关闭出油阀9。

Claims (6)

1.一种南极发电舱的温控装置，在发电舱内设置有储油箱以及发电机组，其特征在于：包括置于发电舱内的组合式热管均温系统和直燃式控温系统，所述的组合式热管均温系统包括环路脉动热管和轴向吸液芯热管，所述轴向吸液芯热管以阵列方式设置在储油箱内，所述环路脉动热管的冷凝段设置在所述轴向吸液芯热管的蒸发段，所述环路脉动热管的蒸发段设置在发电机组的排烟管上；所述直燃式控温系统包括油阀、输油管、感温器、连杆以及温控炉，所述油阀设置在所述储油箱的出油口，在油阀的下端连接所述连杆，所述感温器包括密封腔、设置在密封腔内的相变材料以及位于密封腔内且在所述相变材料体积变化时能够在所述密封腔内移动的隔板，所述连杆的另一端连接在所述隔板上；所述温控炉通过输油管与所述出油口连接，在温控炉上端设置有与所述油阀同步控制的点火装置以及通过所述点火装置进行燃烧并向外辐射热量的燃烧室。

2.根据权利要求1所述的南极发电舱的温控装置，其特征在于：所述环路脉动热管为由毛细管经多个弯折而构成的里面充有用于实现热量在逆重力方向传递而不需要消耗外界泵功的气液两相流体的回路系统；所述的轴向吸液芯热管为轴向槽道热管、轴向金属丝网热管、轴向多孔芯热管这三种热管中的任何一种。

3.根据权利要求1所述的南极发电舱的温控装置，其特征在于：在所述燃烧室外表面设置有散热片。

4.根据权利要求1所述的南极发电舱的温控装置，其特征在于：所述点火装置包括触发器、单片机和点火器，所述触发器布置于所述油阀上部，并与所述单片机的输入端相连，所述单片机的输出端与所述点火器连接。

5.根据权利要求1所述的南极发电舱的温控装置，其特征在于：所述密封腔被所述隔板分为上腔体和下腔体，所述相变材料位于上腔体内，在下腔体内设置有惰性气体。

6.根据权利要求5所述的南极发电舱的温控装置，其特征在于：所述相变材料为氨气、乙烯或乙烷；所述惰性气体为氮气或氦气。