CN106904262B - 一种船用机舱相变吸能系统 - Google Patents

Abstract

一种船用机舱相变吸能系统，在热量集中的船舶机舱上部空间，通过采用了相变材料的吸能装置与船舶外部露天空间连通，船舶机舱底部发热设备区域通过采用了相变材料的吸能装置与与海水接触的机舱底部壁面连通。吸能装置具有金属壳体，在金属壳体内填充有相变材料，该吸能装置还具有热管，在金属壳体内的一端是热管蒸发端，在金属壳体外的一端是热管冷凝端，吸能装置还具有多片强化传热肋片与金属壳体表面固定连接。所述的相变材料是相变温度为30‑35℃的石蜡‑泡沫铝的混合物。

Description

一种船用机舱相变吸能系统

技术领域

本发明属于船用设备技术领域，特别涉及一种船用机舱相变吸能系统。

背景技术

现有的船舶尤其是大型船舶，机舱是船舶的动力和电力的中心区，它包括众多的机械、电气、控制设备。柴油机、辅助锅炉等机械设备正常工作期间不仅需要大量的新鲜空气，同时向周围环境放出大量热量；发电机、电动机以及电气控制设备工作中也向周围环境放出一定的能量；机舱内还有很多加热舱柜、蒸汽管路等也向舱内环境释放出热量，这些热量会使舱内温度显著上升，影响了船员作业时的体感舒适度，不利于船员进行舱内作业，且对轮机电气设备使用寿命、可靠性产生明显影响。

机舱里的高温会使柴油机进气密度小，进气量减少，在相同喷油量下降导致燃烧质量下降，排气温度升高，排气冒黑烟，柴油机耗油率也因而上升，推进效率大大降低。环境温度的升高会使柴油机的增压器喘振动的可能性增大，相反地，当大气温度降低时，柴油机进气密度过高，进气量过多，会导致扫气压力、压缩压力和爆炸压力过高，使柴油机承受过大的机械负荷，因此，保持船舶机舱内的适宜的环境温度对主机的正常运行至关重要。

现在对机舱环境温度的控制主要采用的是机械通风的方式，缺点温控效果差、功耗大、噪音大、维护难、效率低。而采用相变材料和热管进行热传递，快速吸收并向外部释放船舶机舱内的热量，将机舱温度控制在35℃稳态，不消耗额外能量，减少船舶机舱内的风机能耗，并保证机械设备的高效稳定工作并改善轮机工作人员的作业环境。

相变材料简称PCM-Phase Change Material)是利用物质相态变化吸收或放出的大量潜热，达到蓄能和释能目的的功能性材料。这个相态变化和吸热放热可以想象为：冰变成水，固变液，过程中要吸热；水冻成冰，液变固，要放热。并且在相变过程中，冰水混合物一直保持0℃。也就是说稳定相变过程温度是不会改变的。利用这个特性，可以将相变材料应用于机舱控温的领域。

发明内容

本发明将相变材料应用于船舶机舱环境温度的控制，利用相变吸能系统吸收机舱热量，且将吸收的的热能循环利用，大大降低船舶功耗并且节能环保。

一种船用机舱相变吸能系统，在热量集中的船舶机舱上部空间，通过采用了相变材料的吸能装置与船舶外部露天空间连通，

船舶机舱底部发热设备区域通过采用了相变材料的吸能装置与与海水接触的机舱底部壁面连通。

进一步的，吸能装置具有金属壳体，在金属壳体内填充有相变材料，

该吸能装置还具有热管，在金属壳体内的一端是热管蒸发端，在金属壳体外的一端是热管冷凝端，

吸能装置还具有多片强化传热肋片与金属壳体表面固定连接。

进一步的，所述的相变材料是相变温度为30-35℃的石蜡-泡沫铝的混合物。

进一步的，机舱内的热量被强化传热肋片吸收，传递给填充在金属壳体内的相变材料，通过热管进行热传导，包括四种模式释放热量：

(1)热管冷凝端与船底外壳进行热传递；

(2)热管冷凝端与海水箱内海水进行热传递；

(3)热管冷凝端与需要加热的舱柜进行热传递；

(4)热管冷凝端外露外部空间，与外界空气进行热传递。

进一步的，吸能装置紧贴发热设备设置，且位于机舱内通风不良的位置。

进一步的，金属壳体呈现为矩形，多个强化传热肋片排列于金属壳体的两侧。

进一步的，对于相变吸能系统，通过调整吸能装置的形状和尺寸来实现，同时，也考虑进出风口的位置，调整吸能装置的安装位置和数量。

本发明采用相变材料和热管进行热传递，快速吸收并向外部释放船舶机舱内的热量，将机舱温度控制在35℃稳态，不消耗额外能量，减少船舶机舱内的风机能耗，并保证机械设备的高效稳定工作并改善轮机工作人员的作业环境。由于采用相变材料-金属封装壳体-强化传热肋片-热管相结合工业化设计，使得吸能装置结构简单，布置灵巧方便。

附图说明

图1是本发明的吸能原理系统流程框图。

图2是本发明实施例中机舱相变吸能系统布置图。

图3是本发明实施例中一种吸能装置结构示意图。

图4是本发明实施例中又一种吸能装置结构示意图。

图5是本发明实施例中分油机间吸能装置布置示意图。

图6现有分油机间机舱布置方案示意图。

图7是本发明实施例中分油机间布置方案示意图。

其中，100——吸能装置，101——金属壳体，102——相变材料，103——热管，104——强化传热肋片，105——热管冷凝端，106——热管蒸发端，201——锅炉，202——发电机组，203——主机，204——机舱低位海水箱，205——机舱高位海水箱。

具体实施方式

机舱的热量主要是集中在机舱顶部区域，机舱各平台底部发热设备区域，通过高效相变材料吸收机舱内的热量，并通过热管传递将热量传递至船体外部露天空间和与海水接触机舱底部壁面,系统流程框图如图1所示。

在船用相变机舱吸能系统中选取了相变温度为30-35℃的石蜡-泡沫铝的混合物作为媒介,温度满足机舱温控目标量,相变潜能达到了300-500焦/克,相变可逆性好且固固转化高效利于封装.我们将相变材料进行产品化设计，将相变材料填充在金属壳体内，壳体外装有数量不等的强化传热肋偏,金属壳体位于船舶机舱底部的发热设备区域或船舶机舱顶部空间靠近主辅机锅炉等高发热设备附近，金属壳体内有热管，热管的蒸发端埋入相变材料中，热管的冷凝端与船舶机舱底部与水接触的低温区接触，发热设备区的热量通过强化的传热肋片传递给金属壳体，然后金属壳体将热量传递给相变材料，相变材料吸收机舱内发热设备的热量后经热管传递给与水接触的机舱底部壁面，壁面又会快速将热量传递给船体外的水进行热传递换热,有可以释放到船舶机舱外部的露天空间，与船舶外部的空气进行自然对流换热。机舱相变吸能系统布置图如图2。其中，100为吸能装置，布置在机舱内高散热设备区域，这些设备包括锅炉201、发电机组202、主机203。发热设备区域的热量被强化传热肋片吸收，传递给填充在金属壳101内的相变材料102，通过热管进行热传导，分为四种模式释放热量：

1.热管冷凝端可与船底外壳进行热传递；

2.热管冷凝端可与海水箱内海水进行热传递；

3.热管冷凝端可与需要加热的舱柜进行热传递；

4.热管冷凝端可外露外部空间，与外界空气进行热传递。

为了更好的验证机舱吸能系统效果，对机舱内分油机间相变温控进行了仿真试验,首先建立二维模型,将条件量进行输入,对使用了相变机舱吸能系统前后进行了比较。

方案一，无相变吸能装置的情况，如图6所示。燃油分油机、滑油分油机、供油单元布置在分油机间内，采用强制送风、强制抽风+自然平衡风通风方式。夏季海水32℃，机舱45℃，空气35℃。自然对流，空气10w/(m²*K)，水400w/(m²*K)。

采用Fluent软件对以上方案计算，设置Solidufication&Melting模型，

1)分油机间初始温度45℃

2)分油机间邻机舱壁面，自然对流，换热系数10W/(m²*K)，45℃

3)分油机间邻海水面，自然对流，换热系数400W/(m²*K)，32℃

4)进风1.389m/s，35℃，抽风1.389m/s。

5)设备壁面，热流边界，燃油分油机、滑油分油机、供油单元依次为100W/m²、62.5W/m²、50W/m²。

模拟30min，得到计算结果和温度场云图，为便于对比设置最高显示温度60℃(实际最高温度高于60℃)。从云图可以看出，分油机间内其他区域在强制通风作用下温度控制较好，大部分处于36-46℃之间；高温区域主要出现在设备表面，由于设备的大量散热以及个别通风不良好区域，呈现相对高温状态。进一步的计算结果显示，在计算至30min的时候，分油机间内整个区域平均温度为38.4℃，局部最高温度为115.5℃。

显然，在该常规方案下，强制通风虽然能有效控制分油机间内的平均温度，但是难以消除设备表面的局部高温，尤其是在内部流场不佳的情况下，局部高温更加明显。

方案二是加入相变吸能模块分布式安装情况。为了有效控制设备表面的局部高温，以及进一步降低分油机间内部平均温度，根据方案一的计算结果，在设备表面的局部高温区域布置相变材料，而且是尽量布置在分油机间通风不畅位置，如图7所示。

采用相变材料热物性：密度900kg/m³；相变潜热90kJ/kg；相变温度35℃；比热1650kJ/(kg*K)；导热系数1.6W/(m*K)。

同样采用Fluent软件对以上方案计算，设置Solidufication&Melting模型，

1)分油机间初始温度45℃

2)分油机间邻机舱壁面，自然对流，换热系数10W/(m²*K)，45℃

3)分油机间邻海水面，自然对流，换热系数400W/(m²*K)，32℃

4)相变材料初始温度32℃

5)进风1.389m/s，35℃，抽风1.389m/s。

6)设备壁面，热流边界，燃油分油机、滑油分油机、供油单元依次为100W/m²、62.5W/m²、50W/m²。

模拟30min，得到计算结果和温度场云图，为便于对比设置最高显示温度60℃(实际最高温度高于60℃)。从温度场云图可以看出，由于相变材料的存在，设备表面的局部高温区域明显减少，高温区基本消除，场内温度更加均匀，基本在36℃附近。由此可见，相变材料有效控制了局部高温的产生。此外，在布置了相变材料的附近，空气温度较传统方案有明显降低。进一步的计算结果显示，在计算至30min的时候，分油机间内整个区域平均温度为37.7℃，局部最高温度为84.2℃，该值相比于无相变材料时显著降低。很明显，由于相变材料对局部高温的有效控制，使得分油机间内平均温度也有所降低。

Claims (1)

1.一种船用机舱相变吸能系统的模拟仿真方法，所述的船用机舱相变吸能系统在热量集中的船舶机舱上部空间，通过采用了相变材料的吸能装置与船舶外部露天空间连通，

船舶机舱底部发热设备区域通过采用了相变材料的吸能装置与与海水接触的机舱底部壁面连通，

吸能装置具有金属壳体，在金属壳体内填充有相变材料，所述的相变材料是相变温度为30-35℃的石蜡-泡沫铝的混合物，

该吸能装置还具有热管，在金属壳体内的一端是热管蒸发端，在金属壳体外的一端是热管冷凝端，

吸能装置还具有多片强化传热肋片与金属壳体表面固定连接，金属壳体呈现为矩形，多个强化传热肋片排列于金属壳体的两侧，

吸能装置紧贴发热设备设置，且位于机舱内通风不良的位置，

机舱内的热量被吸能装置的强化传热肋片吸收，传递给填充在金属壳体内的相变材料，通过热管进行热传导，包括四种模式释放热量：

(1)热管冷凝端与船底外壳进行热传递；

(2)热管冷凝端与海水箱内海水进行热传递；

(3)热管冷凝端与需要加热的舱柜进行热传递；

(4)热管冷凝端外露外部空间，与外界空气进行热传递，

吸能装置的金属壳体位于船舶机舱底部的发热设备区域或船舶机舱顶部空间靠近主辅机和锅炉高发热设备附近，吸能装置的金属壳体内的热管的蒸发端埋入相变材料中，热管的冷凝端与船舶机舱底部与水接触的机舱低温区接触，机舱内发热设备区域的热量通过强化的传热肋片传递给金属壳体，然后吸能装置的金属壳体将热量传递给相变材料，相变材料吸收机舱内发热设备的热量后经热管传递给与水接触的机舱底部壁面，壁面又会快速将热量传递给船体外的水进行热传递换热,或者释放到船舶机舱外部的露天空间，与船舶外部的空气进行自然对流换热，

其特征在于，所述模拟仿真方法包括：

建立二维模型,将条件量进行输入,对使用了相变机舱吸能系统前后进行了比较，

1，对于无相变吸能装置的情况，燃油分油机、滑油分油机、供油单元布置在分油机间内，采用强制送风、强制抽风+自然平衡风通风方式，

夏季海水32℃，机舱45℃，空气35℃，自然对流，空气10w/(m²*K)，水400w/(m²*K)，

采用Fluent软件对以上方案计算，设置Solidufication&Melting模型，

(1)分油机间初始温度45℃

(2)分油机间邻机舱壁面，自然对流，换热系数10W/(m²*K)，45℃

(3)分油机间邻海水面，自然对流，换热系数400W/(m²*K)，32℃

(4)进风1.389m/s，35℃，抽风1.389m/s，

(5)设备壁面，热流边界，燃油分油机、滑油分油机、供油单元依次为100W/m²、62.5W/m²、50W/m²，模拟30min，得到计算结果和温度场云图，为便于对比，设置最高显示温度60℃，

从温度场云图可以看出，分油机间内其他区域在强制通风作用下温度控制较好，大部分处于36-46℃之间；高温区域主要出现在设备表面，由于设备的大量散热以及个别通风不良好区域，呈现相对高温状态，

进一步的计算结果显示，在计算至30min的时候，分油机间内整个区域平均温度为38.4℃，局部最高温度为115.5℃；

2，对于加入相变吸能模块分布式安装情况，根据第一种情况的计算结果，在设备表面的局部高温区域布置相变材料，而且是尽量布置在分油机间通风不畅位置，

采用相变材料热物性：密度900kg/m³；相变潜热90kJ/kg；相变温度35℃；比热1650kJ/(kg*K)；导热系数1.6W/(m*K)，

同样采用Fluent软件对以上方案计算，设置Solidufication&Melting模型，

(1)分油机间初始温度45℃

(2)分油机间邻机舱壁面，自然对流，换热系数10W/(m²*K)，45℃

(3)分油机间邻海水面，自然对流，换热系数400W/(m²*K)，32℃

(4)相变材料初始温度32℃

(5)进风1.389m/s，35℃，抽风1.389m/s，

(6)设备壁面，热流边界，燃油分油机、滑油分油机、供油单元依次为100W/m²、62.5W/m²、50W/m²，模拟30min，得到计算结果和温度场云图，为便于对比，设置最高显示温度60℃，

从温度场云图可以看出，由于相变材料的存在，设备表面的局部高温区域明显减少，高温区基本消除，场内温度更加均匀，基本在36℃附近，

在计算至30min的时候，分油机间内整个区域平均温度为37.7℃，局部最高温度为84.2℃，该值相比于无相变材料时显著降低。