CN106246420B - 极地科考站发电机组的储油系统温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极地科考站发电机组的储油系统温控装置，包括发电机组以及储油系统，发电机组包括一进油口和一排烟口，在储油系统内设置有一套筒，在套筒的外壁上设置有换热肋板，在套筒内设置有一嵌入套筒并与套筒内腔贴合的自循环换热管，该自循环换热管的下端位于储油系统内，自循环换热管的上端位于一蓄热烟室内，自循环换热管包括多个竖管和和位于竖管端部的弯头，多个竖管连接成一个封闭管，自循环换热管中填充有分布在每个竖管内的相变工质。本发明实现了热量的传输，能够将极地科考站发电机组排放的烟气中的热量高效回收，并利用该部分热量实现发电机组的储油系统的温度控制，进而大大提高了高海拔低温环境下发电机组运行的经济性和可靠性。

Description

极地科考站发电机组的储油系统温控装置

技术领域

本发明涉及一种蓄热、控温装置，具体涉及的是一种在极地低温环境下，为利用柴油发电机组尾气余热实现极地科考站发电机组的储油系统温控装置。

背景技术

极地科考察站能源支撑主要来自发电机组的发电，极地的低温特点会引起柴油流动性下降继而引发柴油发电机组供油不畅甚至熄火的问题。因此，对极地科考站储油的有效预热和均温是保证发电机组在低温、低压环境下高效、顺利运行的一个重要措施。目前，在我国北方的冬季柴油机动车柴油的预热主要有以下三种方法：(1)在柴油油水分离器上加装预热器；(2)使用独立的燃油加热器加热冷却液；(3)在液压油箱内布置加热铜管。以上三种方法的共同特征在于给柴油预热的热量必须来自独立的外部热源，如果将上述的三种方法应用到极地科考站发电机组的储油的预热，会出现以下两方面的问题，一方面，极地环境恶劣、直接可利用能源严重匮乏；另一方面，极地科考站发电机组的储油系统的几何尺寸要远远大于机动车储油系统，而且柴油导热系数较低，上述方法会导致储油系统中油温不均的后果。因此，迫切需要一种新型高效、节能的极地科考站发电机组的储油系统的温控装置。

受分形理论成功应用于解决流传递结构体内优化问题的思想启迪，同时得益于热管技术的发展，本发明将热管设计成多弯头的自循环换热管收集极地科考站发电机组的尾气余热，利用树状分形结构的散热肋板将收集的余热传递到柴油中，实现极地科考站储油的余热和均温；利用具有温度控制模块的潜油泵实现套筒内、外的柴油对流混合，强化冷、热柴油间的对流换热，最终实现极地科考站柴油发电机组的储油系统的温控目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种能大幅提高极地科考站柴油柴油发电机组尾气余热的利用率，使储油系统内柴油温度保持均匀、一致，保证发电机组正常稳定运行的极地科考站储油系统的温控装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种极地科考站发电机组储油系统的温控装置，包括发电机组以及储油系统，所述发电机组包括一进油口和一排烟口，在所述储油系统内设有用于将储油系统内柴油经所述进油口送入发电机组的潜油泵，其特征在于：在所述储油系统内设置有一套筒，在套筒的外壁上设置有沿所述套筒外壁径向延伸并分布于储油系统内的换热肋板，在所述套筒内设置有一嵌入所述套筒并与所述套筒内腔贴合的自循环换热管，该自循环换热管的下端位于所述储油系统内，自循环换热管的上端位于一蓄热烟室，该蓄热烟室具有一烟气入口和烟气出口，所述排烟口与烟气入口连接，所述自循环换热管包括多个竖管和和位于竖管端部的弯头，多个竖管经所述弯头连接成一个封闭管，自循环换热管中填充有分布在每个竖管内的相变工质，在所述套筒内还设置有一温度传感器，该温度传感器与一控制器连接，所述控制器根据温度传感器测量的温度和设定的温度的比较结果启动或关闭所述潜油泵。

所述换热肋板呈圆环状布置在所述的套筒外围，数量为K，4≤K≤8，且K为整数，每个换热肋板均为均温的梯级结构，含有m级梯级均温板，m≥2，且m为整数，且每级梯级均温板又作为母分支分为N个梯级均温板，N≥2，且N为整数，其中第一级梯级均温板与所述套筒连接，上下级梯级均温板的宽度之比为N^-1/B，其中B为宽度维数，且7/3≤B≤3，上下级梯级均温板的长度之比为N^-1/L，其中L为长度维数，且1≤L≤2。

所述自循环换热管为闭合回路型三维蛇形结构，蒸发端和冷凝端表面具有增强换热的螺纹或波纹结构。

所述自循环换热管采用内径为2-3mm的铜管或者不锈钢管铜管通过弯折的方式制作加工，最后首尾相连形成闭合回路，充注前对所述自循环换热管抽真空，并保证在24h内的真空度不变，充液率为50％-70％。

所述套筒为圆柱结构，上、下端面贯穿，并在套筒的侧面开有便于柴油流入的进油孔。

所述进油孔为矩形方孔。

在蓄热烟室的外围包裹保温材料，蓄热烟室的进、出口分别设计在不同的两个侧面上，烟气进口位置要高于烟气出口位置，以此延长高温烟气在所述的蓄热烟室中的驻留时间，从而提高自循环换热管与高温烟气的换热效率，进而减少排烟热损失，提高烟气余热的利用率。

自循环换热管的绝热段(除了蒸发段和冷凝段外剩余的部分)不能直接暴露于环境，在绝热段外围包覆保温材料，以此减少热损失。

自循环换热管为多弯闭合回路三维结构，对于多弯闭合回路三维结构的管式自循环换热管：采用内径为2-3mm的铜管或者不锈钢管铜管通过弯折的方式制作加工，最后首尾相连形成闭合回路，管式自循环换热管以一组或多组布置于套筒中，每组管式自循环换热管的竖向通道数可以根据储油系统中的柴油实际需要维持的温度进行设计。充注前需要对自循环换热管抽真空，并保证在24h内的真空度不变，充液率为50％-70％。

套筒为圆柱状结构，上、下端面均镂空，并且在套筒的侧面上镂有一定数量的矩形通孔，便于储油系统中的柴油流入套筒与自循环换热管直接接触，加强柴油与自循环换热管的换热。

换热肋板与套筒铸成一个整体，其材料可以为铜(铜合金)、铝(铝合金)、钢(合金钢)、银等多种高导热性能金属。

自循环换热管的工作介质为氨、丙酮、乙醇、甲醇、液态金属或制冷剂等各种类型流体工质，可根据所处的工作环境左右选取。

温度传感器与所述的温度控制模块之间的连接导电线需选用温度补偿导电线，以提高控制柴油温度的精度。

温度控制模块包括计算机、PLC控制器、数模转换器、继电器和变送器，其运行所需的电源由柴油发电机的发电提供。

潜油泵的吸入端置于套筒内部，排出端置于套筒外部；运行所需的电量由所述的柴油发电机输出端提供，电源线接入所述的温度控制模块中的继电器，由继电器控制潜油泵电路的闭合和断开，从而实现对潜油泵的自动控制。

有益效果

本发明极地科考站发电机组的储油系统温控装置，布置在发电机组排烟管道中的自循环换热管的蒸发段工质高效吸收高温烟气的热量并产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向自循环换热管的冷凝段，冷凝段置于套筒中，在低温冷凝段中，气泡冷却收缩并破裂，压力下降，由于两端间存在压差以及相邻竖管之间的压力不平衡，使得工质在蒸发段和冷凝段之间振荡流动，从而将发电机组排烟的余热传递到储油系统中，实现发电机组排烟余热的回收。然后，汇聚在套筒中的热量沿梯级均温板逐级传递到柴油中，梯级均温板的分形展开，使得在储油系统内最大限度地布置了换热肋板，进而大幅增加了换热肋板与储油系统内冷源(柴油)之间的换热面积；另外，位于套筒上部的温度传感器能够将测点处的油温即时反馈给PLC控制器，当监测点处的油温超过设定的值时，PLC控制器将驱动继电器工作，使潜油泵的工作电路闭合，潜油泵运行，将套筒内的高温柴油抽排到套筒外部的低温区域，实现冷、热柴油的对流换热，当套筒内的油温低于设定值时，PLC控制器将驱动继电器触点断开，从而停止潜油泵的运行，最终，有效解决了储油系统中各处柴油温度不均，甚至部分区域过高引起自燃等安全性问题，实现极地科考站发电机组储油系统温控的目的。本发明设计的极地科考站发电机组的储油温控装置能够将发电机组排放的高温烟气中的热量通过自循环换热管中工质相变将热量带走，高效回收排烟尾气的余热，并且装置中换热肋板能够将回收的热量迅速传导到储油系统中的柴油，同时温度控制模块能够通过驱动与停止潜油泵的运行，强化冷、热柴油间对流换热，有效消除局部热点的产生，以上这些因素不仅大幅提高来了发电机组排烟尾气余热的回收效率，而且强化了柴油与热源之间的传热，实现了柴油的预热和均温目的，进而进一步保证了极地科考站柴油发电机组的安全、稳定、高效运行。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明中蓄热烟室的局部结构示意图。

图3为本发明中自循环换热管的结构示意图。

图4为本发明中换热肋板的局部结构示意图。

图5为本发明中温度控制模块结构示意图。

图中,1.发电机组；2.进烟管道；3.蓄热烟室；4.保温材料；5.排烟管道；6.自循环换热管；7.套筒；8.换热肋板；9.柴油；10.储油系统；11.潜油泵；12.导电线；13.温度传感器；14.温度控制模块；15.矩形方孔。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了本发明极地科考站发电机组的储油系统温控装置的结构示意图。发电机组1的气缸排气端连接进烟管路2的首端，进烟管路2的外围包裹保温材料4，进烟管路2的末端连接蓄热烟室3的烟气入口端，蓄热烟室3的烟气出口端连接通向外部环境的排烟管道5，自循环换热管6的蒸发段嵌入蓄热烟室3中，冷凝段置于套筒7中，套筒7的外围连接换热肋板8，套筒7和换热肋板8铸成整件并浸没在柴油9中，套筒7外围底部安装潜油泵11，潜油泵11的温度控制模块14安装在储油系统10的外部。

图2给出了蓄热烟室的三维结构示意图。蓄热烟室中烟气入口位置靠近蓄热烟室的顶面，并且烟气进口设计有向上偏斜的烟气导向管；烟气出口位置靠近蓄热烟室的底面，最大程度地延长了烟气在蓄热烟室的驻留时间，保证了高温烟气与自循环换热管之间充分换热，进而大幅提高了高温烟气的余热利用率。

图3给出了自循环换热管三维结构示意图。自循环换热管的蒸发段内的工质吸收蓄热烟室中高温烟气的热量蒸发并产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向自循环换热管的冷凝段，在低温冷凝段中，气泡冷却收缩并破裂，压力下降，由于两端间存在压差以及相邻管子之间的压力不平衡，使得工质在蒸发段和冷凝段之间振荡流动，从而实现发电机组排烟中热量的传递。

图4给出了换热肋板的结构示意图。在该实施例中，换热肋板8呈圆环状布置在所述的套筒外围，数量为K，4≤K≤8，且K为整数，每个换热肋板8含有m级梯级均温板，m≥2且m为整数，且每级梯级均温板又作为母分支分形出N个相同的子分支，N≥2且N为整数，任意连续两级梯级均温板之间的宽度之比为N^-1/B，其中B为宽度维数，且7/3≤B≤3，任意连续两级梯级均温板之间的长度之比为N^-1/L，其中L为长度维数，且1≤L≤2；换热肋板8能够充分利用梯级均温板的多级分形，在储油系统内有限空间最大程度地布置换热肋板，进而大幅增加换热肋板8与柴油之间的换热面积；分形级数越高，整个换热肋板其沿径向的外缘处的肋板间隙变小，与储油系统的壁面更加贴合，进而使得换热肋板8在储油系统9内的布置沿圆周方向均匀，保证接近壁面的柴油温度保持均匀。

图5给出了温度控制模块电气元件的连接示意图。在该实施例中，温度传感器监测位于套筒上部的柴油温度，变送器将温度传感器的输出信号转换为电信号，该电信号经过数模转换器，转换为可被PLC控制器识别的数字信号，并在计算机上显示和保存；PLC控制器将来自温度传感器测点处的温度值与设定的温度值对比，当传感器测点处的柴油温度等于或高于设定值，PLC控制器将执行驱动继电器的触点闭合，使潜油泵的工作电路呈闭合状态，启动潜油泵。当测点处的柴油温度低于设定值时，PLC控制器将执行驱动继电器的触点断开，使潜油泵的工作电路呈断路状态，停止潜油泵；PLC控制器所用的控制程序由计算机写入。

Claims (6)

1.一种极地科考站发电机组的储油系统温控装置，包括发电机组以及储油系统，所述发电机组包括一进油口和一排烟口，在所述储油系统内设有用于将储油系统内柴油经所述进油口送入柴油发电机组的潜油泵，其特征在于：在所述储油系统内设置有一套筒，在套筒的外壁上设置有向沿所述套筒外壁径向延伸并分布于储油系统内的换热肋板，在所述套筒内设置有一嵌入所述套筒并与所述套筒内腔贴合的自循环换热管，该自循环换热管的下端位于所述储油系统内，自循环换热管的上端位于一蓄热烟室内，该蓄热烟室具有一烟气入口和烟气出口，所述排烟口与烟气入口连接，所述自循环换热管包括多个竖管和位于竖管端部的弯头，多个竖管经所述弯头连接成一个封闭管，自循环换热管中填充有分布在每个竖管内的相变工质，在所述套筒内还设置有一温度传感器，该温度传感器与一控制器连接，所述控制器根据温度传感器测量的温度和设定的温度的比较结果启动或关闭所述潜油泵。

2.根据权利要求1所述的极地科考站发电机组的储油系统温控装置，其特征在于：所述换热肋板呈圆环状布置在所述的套筒外围，数量为K，4≤K≤8，且K为整数，每个换热肋板均为均温的梯级结构，含有m级梯级均温板，m≥2，且m为整数，且每级梯级均温板又作为母分支分为N个梯级均温板，N≥2，且N为整数，其中第一级梯级均温板与所述套筒连接，上下级梯级均温板的宽度之比为N^-1/B，其中B为宽度维数，且7/3≤B≤3，上下级梯级均温板的长度之比为N^-1/L，其中L为长度维数，且1≤L≤2。

3.根据权利要求1所述的极地科考站发电机组的储油系统温控装置，其特征在于：所述自循环换热管为闭合回路型三维蛇形结构，蒸发端和冷凝端表面具有增强换热的螺纹或波纹结构。

4.根据权利要求1所述的极地科考站发电机组的储油系统温控装置，其特征在于：所述自循环换热管采用内径为2-3mm的铜管或者不锈钢管铜管通过弯折的方式制作加工，最后首尾相连形成闭合回路，充注前对所述自循环换热管抽真空，并保证在24h内的真空度不变，充液率为50％-70％。

5.根据权利要求1所述的极地科考站发电机组的储油系统温控装置，其特征在于：所述套筒为圆柱结构，上、下端面贯穿，并在套筒的侧面开有便于柴油流入的进油孔。

6.根据权利要求5所述的极地科考站发电机组的储油系统温控装置，其特征在于：所述进油孔为矩形方孔。