CN106323055A - 应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，包含板式换热器，板式换热器一路由柴油机缸套水热源产生的热量经过板式换热器换热，通过第一水泵在板式换热器中循环换热，另一路通过离心水泵驱动冷却介质流经设置在主回路上的流量调节阀、冲击阀进入到板式换热器中吸热，在流量调节阀与冲击阀之间设有三通阀，三通阀的一个端口与弹簧单向阀连接，弹簧单向阀位于储能罐中，储能罐中通过支路管道与主回路连接，在主回路上设有对升温后的冷却介质进行降温的取热设备。本发明通过在主管道中产生脉动，脉动的冷却介质击打板式换热器的内壁，具有余热利用效率高、换热器尺寸小、不易结垢的优点。

Description

应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置
技术领域
本发明涉及应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，属于余热回收领域。
背景技术
近年来，随着IMO对船舶能效设计指数(EDDI)的强化要求，船用设备的节能问题日益得到关注。近年来，船用换热设备的传热强化和防结垢问题已越来越引起重视。船舶余热利用目前主要的方向是：主副机废气余热和缸套冷却水余热的利用。废气余热大部分是被发动机废气涡轮和废气锅炉利用，而缸套水的热量是在中央冷却器中被海水带走。一些余热利用设备，比如船舶经济器等，因受空间的限制，在现实中应用并不广泛。换热的强化对这些装置体积的减小起着决定性作用，而体积是很多节能装置在船舶进一步推广的重要前提。目前船舶上很多换热设备，为节省空间和提高换热效率，也趋于用板式换热器替代壳管式换热器。
中国专利号[201210145569.8]，公开(公告)日2012.09.19，公开了一种可调往复式脉动流强化传热换热器，通过调整电机的转速控制脉动流的平均流速、脉动频率、脉动振幅，可以强化换热。但是由于需要通过电机和调频管道泵输送流体需要电能，并且能源消耗很高。传统脉动发生装置一般采用电磁阀或往复泵等方法，但这些脉动方式属于有源强化传热技术，需要消耗额外的能耗，在实际应用中受到限制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，具有余热利用效率高、换热器尺寸小、不易结垢的优点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，包含板式换热器，板式换热器一路由柴油机缸套水热源产生的热量经过板式换热器换热，通过第一水泵在板式换热器中循环换热，另一路通过离心水泵驱动冷却介质流经设置在主回路上的流量调节阀、冲击阀进入到板式换热器中吸热，在流量调节阀与冲击阀之间设有三通阀，三通阀的一个端口与弹簧单向阀连接，弹簧单向阀位于储能罐中，储能罐中通过支路管道与主回路连接，在主回路上设有对升温后的冷却介质进行降温的取热设备。
作为优选，所述冲击阀包含进口端、钢制阀体、轴、冲击垫片、O型密封圈、螺母和出口端，所述钢制阀体为空腔结构，在钢制阀体上设有进口端和出口端，在钢制阀体内设有沿钢制阀体运动的轴，在轴上安装有O型密封圈和冲击垫片，冲击垫片通过安装在轴上的螺母固定，流体从进口端流入，当流体压力过大时，冲击垫片向上推动关闭出口端，流体才可截止；当流体压力逐渐减小或流体回流时，流体作用力不足以克服冲击垫片的重量，冲击垫片与O型密封圈分离。
作为优选，所述弹簧单向阀包含钢制弹簧阀体、钢珠、弹簧，钢制弹簧阀体设有进口和出口，在进口处设有钢珠，钢珠与弹簧连接，弹簧一端安装在安装板上，安装板固定在钢制弹簧阀体的腔体内，安装板上设有若干个通孔，弹簧作用力将钢珠压紧在钢制弹簧阀体上，切断了单向阀与执行机构之间的管路。流体从进口端流入，需要一定的开启压力将钢珠推动才能够开启，流体才可流通；当流体压力没到到达开启力、停止工作或流体回流时，弹簧将钢珠推到入口位置形成密封，起到止回功能。
作为优选，所述储能罐材料为不锈钢或塑性材料，形状为长方体或柱状。储能罐的作用主要是控制脉动压力幅值，当产生的高压脉动波通过单向阀后，一部分流体流过储能罐，一部分则进入储能罐使其回路压力下降，防止对泵的性能造成损坏。
作为优选，所述冲击阀的阀体关紧力小于流体的最大冲击作用力，所述弹簧单向阀的阀体关紧力小于产生的最大脉动波压力，弹簧单向阀关紧力为冲击阀关紧力的2倍。
作为优选，所述取热设备为盘式加热油柜，所述盘式加热油柜包含盘管换热器、油柜，所述盘管换热器与主回路连通，盘管换热器位于油柜中。油柜也可以为吸收式热泵空调系统、供暖、经济器等。
作为优选，所述板式换热器的进口处和取热设备的出口处均安装有除气器，防止空化效应损坏装置。
作为优选，所述支路管道的管口截面积小于主回路的管口截面积。
在本发明中，余热回收系统主要由柴油机缸套水热源、离心水泵、板式换热器、弹簧单向阀、冲击阀、储能罐、流量调节阀、取热设备、除气器组成，主要工作原理是：流体流经单向阀和冲击阀，当流速达到一定值时，水压迫使冲击阀关闭，在右侧回路中产生液压冲击，冲击作用力足以使弹簧单向阀打开，将其正扩散波作用到空气室中，造成了脉动，待其正扩散波消耗完毕转化为负扩散波时，冲击阀自动打开，完成一次循环，往复进行。通过水锤泵冲击阀的开关，在换热系统中造成水锤冲击波，管路压力呈现大振幅周期性的压力脉动，使板式换热器换热效率大大提升，换热后的高温水通过离心水泵输送到取热设备处。传统船舶废气余热大部分是被发动机废气涡轮和废气锅炉利用，而缸套水的热量是在中央冷却器中被海水带走。一些余热利用设备，比如船舶经济器等，因受空间的限制，在现实中应用并不广泛。本发明通过自制脉动源，将其应用于船舶余热回收，可以有效减小余热利用设备的体积，如盘管加热器和经济器。同时又由于脉动效应，产生的冲击波极大提高了余热利用设备的换热效率。
在本发明中，流量控制阀的开度有不同的要求，当液体开始流过时，阀门开度大，此时的液体压力作用于冲击阀，随着冲击阀受得压力增大，使得阀门关闭，产生的反向脉动冲击波向单向阀和调节阀流过，此时要求调节阀的开度很小，目的一是让其脉动冲击波作用于单向阀，产生持续不断的脉动波。目的二是为了让少量脉动冲击波通过调节阀，对取热设备流体流动造成扰动，增加换热效率。
在本发明中，自激振脉动装置，因无需额外能耗，因此在船舶余热回收方面更凸显其独有的优越性。受水锤泵的启发，将限流阀、单向阀和空气室组合一体，作为脉动源，将其应用于船舶设备的余热利用(废气余热、缸套冷却水余热)和防结垢等领域，将过去视为“负能量”的水锤冲击波效应转化为“正能量”，在可靠性得以充分保证的前提下，达到显著增强换热器的传热性能同时又达到抑制结垢的效果。应用于采暖、柴油机废气余热回收等领域，他们主要是采用将限流阀与隔膜泵结合起来，对上述系统中的换热器进行换热强化，也可达到防结垢的功效。研究发现，基于水力冲击效应的换热器可节约换热面积25-50％左右，即换热器的体积和重量可大大降低，显著减少金属制造耗量。可很好应用于采暖、柴油机废热回收等领域。
在本发明中，开始工作时，冲击阀腔体内流体的压力远小于单向阀弹簧预紧力和钢珠的重量，弹簧单向阀处于关闭状态，流体从冲击阀出口沿主回路流回压载腔；当流体流速大于一阈值时，冲击阀在阀座前后压差力的作用力作用下迅速关闭，在主回路II中产生液压冲击，脉冲压力克服钢珠的重量和弹簧预紧力，弹簧单向阀打开，流体从支路III返回主流路II，储能罐内的空气受压缩，支路III由弹簧单向阀和储能罐组成，。继而冲击阀内泄压，在储能罐被压缩空气和弹簧的反弹力作用下，弹簧单向阀重新关闭，循环往复。
在本发明中，当流路II的流体流过阀座时，在阀座后面会产生旋涡，导致阀座前后压力分布差异很大，即通常所述的压差阻力。当流速大于一定值时，阀座前后的压差力足以克服阀座本身的重量，水流推动阀座向上运动，关闭阀体的出口孔，截断主流路II，产生水锤冲击波效应。所述由阀体、钢珠、弹簧等组成，弹簧作用力将钢珠紧压在阀座上,使单向阀关闭；只有压力大于一阈值时，才能克服弹簧力冲开钢珠，使弹簧单向阀流路得以畅通；当冲击阀泄压时，弹簧单向阀在储能罐内的压缩气体、弹簧力和钢珠重量作用下重新关闭，使支路III重新关闭。在实际应用中，可根据主回路水流速度和压力，以及水锤脉动的振幅和频率，调整弹簧力和钢珠的重量。
在本发明中，所述储能罐材料为不锈钢或塑性材料，形状为长方体或柱状。储能罐的作用主要是控制脉动压力幅值，当产生的高压脉动波通过弹簧单向阀后，一部分流体流入储能罐，压缩储能罐内的空气，当回路压力下降，储能罐内被压缩的空气膨胀，驱动水流重新关闭单向阀，切断支路III。所述储能罐材料为不锈钢或塑性材料，形状为长方体或柱状。储能罐的作用主要是控制脉动压力对离心泵的冲击，使离心泵工作更稳定。
有益效果：本发明的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，通过弹簧单向阀和冲击阀的开关，在换热系统中造成水锤冲击波，管路压力呈现大振幅周期性的压力脉动，以使板式换热表面的换热性能得以大大提高，储能罐作用是控制系统的脉动压力幅值，脉动频率则是由弹簧单向阀和冲击阀的开关性能决定。系统的主要思路是应用水锤效应，产生脉动冲击波使板式换热器的换热得以强化同时减小换热器体积，为船舶节省更多的利用空间，可以显著提高换热器换热率减小换热器的体积。
附图说明
图1为本发明中水锤脉动装置结构示意图。
图2为本发明的原理示意图。
图3为盘管加热油柜的结构示意图。
图4为冲击阀结构示意图。
图5为弹簧单向阀示意图。
图6为图4中A-A剖视图。
图7为图5中B-B剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图7所示，本发明的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，包含板式换热器2，板式换热器2一路由柴油机缸套水热源1产生的热量经过板式换热器2换热，通过第一水泵3在板式换热器2中循环换热，另一路通过离心水泵9驱动冷却介质流经设置在主回路上的流量调节阀5、冲击阀6进入到板式换热器2中吸热，在流量调节阀5与冲击阀6之间设有三通阀，三通阀的一个端口与弹簧单向阀7连接，弹簧单向阀7位于储能罐8中，储能罐材料为不锈钢或塑性材料，形状为长方体或柱状，储能罐8中通过支路管道与主回路连接，所述支路管道的管口截面积小于主回路的管口截面积，在主回路上设有对升温后的冷却介质进行降温的取热设备10，所述板式换热器2的进口处和取热设备10的出口处均安装有除气器4，防止空化效应损坏装置。所述冲击阀的阀体关紧力小于流体的最大冲击作用力，所述弹簧单向阀7的阀体关紧力小于产生的最大脉动波压力，弹簧单向阀关紧力为冲击阀关紧力的2倍。
在本发明中，所述冲击阀包含进口端、钢制阀体63、轴65、冲击垫片64、O型密封圈61、螺母62和出口端66，所述钢制阀体63为空腔结构，在钢制阀体63上设有进口端和出口端66，在钢制阀体63内设有沿钢制阀体运动的轴65，在轴65上安装有O型密封圈61和冲击垫片64，冲击垫片64通过安装在轴65上的螺母62固定，流体从进口端流入，当流体压力过大时，冲击垫片64向上推动关闭出口端，流体截止；当流体压力逐渐减小或流体回流时，流体作用力不足以克服冲击垫片64的重量，冲击垫片64与O型密封圈61分离。
在本发明中，所述弹簧单向阀包含钢制弹簧阀体73、钢珠72、弹簧71，钢制弹簧阀体73设有进口和出口，在进口处设有钢珠72，钢珠72与弹簧71连接，弹簧71一端安装在安装板74上，安装板74固定在钢制弹簧阀体73的腔体内，安装板74上设有若干个通孔，弹簧71作用力将钢珠72压紧在钢制弹簧阀体73上，切断了单向阀与执行机构之间的管路。流体从进口端流入，需要一定的开启压力将钢珠72推动才能够开启，流体才可流通；当流体压力没到到达开启力、停止工作或流体回流时，弹簧71将钢珠72推到入口位置形成密封，起到止回功能。
在本发明中，所述取热设备10为盘式加热油柜，所述盘式加热油柜包含盘管换热器12、油柜13，所述盘管换热器与主回路连通，盘管换热器位于油柜13中，盘管换热器设有进口流体和出口流体，进口流体为换热后的高温冷却介质，出口流体为又一次换热后的低温冷却介质。油柜13也可以为吸收式热泵空调系统、供暖、经济器等。
在本发明中，所述冲击阀6的关紧力远小于弹簧单向阀7关紧力，当冷却介质的流速达到一定值时，水压迫使冲击阀6关闭，在主回路中产生液压冲击，一定时间后，冲击力足以打开弹簧单向阀7，将其正扩散波作用到空气室中，造成了脉动，脉冲通过支路管道传送到主回路中，在主回路中产生脉动，待其正扩散波消耗完毕转化为负扩散波时，冲击阀6自动打开，完成一次循环，往复进行，在板式换热器2中循环的产生脉动，使板式换热器2换热效率大大提升，换热后的高温水通过离心水泵9输送到取热设备10处。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：包含板式换热器，板式换热器一路由柴油机缸套水热源产生的热量经过板式换热器换热，通过第一水泵在板式换热器中循环换热，另一路通过离心水泵驱动冷却介质流经设置在主回路上的流量调节阀、冲击阀进入到板式换热器中吸热，在流量调节阀与冲击阀之间设有三通阀，三通阀的一个端口与弹簧单向阀连接，弹簧单向阀位于储能罐中，储能罐中通过支路管道与主回路连接，在主回路上设有对升温后的冷却介质进行降温的取热设备。
2.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述冲击阀包含进口端、钢制阀体、轴、冲击垫片、O型密封圈、螺母和出口端，所述钢制阀体为空腔结构，在钢制阀体上设有进口端和出口端，在钢制阀体内设有沿钢制阀体运动的轴，在轴上安装有O型密封圈和冲击垫片，冲击垫片通过安装在轴上的螺母固定，流体从进口端流入，当流体压力过大时，冲击垫片向上推动关闭出口端，流体截止；当流体压力逐渐减小或流体回流时，流体作用力不足以克服冲击垫片的重量，冲击垫片与O型密封圈分离。
3.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述弹簧单向阀包含钢制弹簧阀体、钢珠、弹簧，钢制弹簧阀体设有进口和出口，在进口处设有钢珠，钢珠与弹簧连接，弹簧一端安装在安装板上，安装板固定在钢制弹簧阀体的腔体内，安装板上设有若干个通孔，弹簧作用力将钢珠压紧在钢制弹簧阀体上，切断了弹簧单向阀与执行机构之间的管路。
4.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述储能罐材料为不锈钢或塑性材料，形状为长方体或柱状。
5.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述冲击阀的阀体关紧力小于流体的最大冲击作用力，所述弹簧单向阀的阀体关紧力小于产生的最大脉动波压力，弹簧单向阀关紧力为冲击阀关紧力的2倍。
6.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述取热设备为盘式加热油柜，所述盘式加热油柜包含盘管换热器、油柜，所述盘管换热器与主回路连通，盘管换热器位于油柜中。
7.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述板式换热器的进口处和取热设备的出口处均安装有除气器。
8.根据权利要求1所述的应用于船舶水余热回收系统的水锤冲击波脉动换热装置，其特征在于：所述支路管道的管口截面积小于主回路的管口截面积。
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