CN107003092B - 用于借助表层水冷却流体的冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于借助于表层水冷却流体的冷却装置，该冷却装置包括：多于一个的管，其用于在其内部容纳并运输流体，该管的外部在操作中至少部分地淹没在表层水中以便冷却该管，从而也冷却流体；至少一个光源，其用于产生阻止所述淹没的外部的至少部分上的污染的光；以及至少一个光学单元，其用于改善防污光在所述淹没的外部上的分布。通过此结构，可以以有效方式确保冷却装置的防污。

Description

用于借助表层水冷却流体的冷却装置

技术领域

本公开涉及适用于防止污染（通常称为防污）的冷却装置。本公开具体涉及海箱冷却器的防污。

背景技术

生物污染或生物学污染是微生物、植物、藻类和/或动物在表面上的积聚。生物污染生物体（organism）之中的种类是高度多样化的并且远超出藤壶和海藻的附着。根据一些估计，包括超过4000种生物体的超过1800个物种是生物污染的原因。生物污染被分成包括生物膜形成和细菌粘附的微观污染以及作为较大生物体的附着的宏观污染。由于确定什么防止它们沉降（settling）不同的化学和生物学的缘故，生物体也被分类为硬或软污染类型。钙质的（硬）污染生物体包括藤壶、结壳苔藓虫、软体动物、多毛类环虫和其他管状蠕虫、以及斑马贻贝。非钙质的(软)污染生物体的示例是海藻、水螅、藻类和生物膜“粘液”。这些生物体一起形成污染群落。

在若干情境中，生物污染产生了实质性的问题。机器停止工作、进水口堵塞、热交换器遭受性能降低。因此防污的主题、即消除或防止生物污染形成的过程是众所周知的。在工业过程中，生物分散剂可以用来控制生物污染。在不那么受控的环境中，使用灭微生物剂、热处理或能量脉冲杀死或利用涂层排斥生物体。防止生物体附着的无毒机械策略包括选择具有光滑的表面的材料或涂层，或者与只提供贫乏的锚点的鲨鱼和海豚的皮肤类似的纳米级表面拓扑结构的创建。

用于经由海水冷却轮船的引擎流体的冷却单元的防污布置在本领域中是已知的。DE102008029464涉及一种包括借助于可定期重复过热的防污系统的海箱冷却器。热水被单独地供应到热交换器管，以便最小化该管上的污染传播。

发明内容

箱冷却器的内侧上的生物污染引起严重问题。主要问题是热传递的能力降低，因为生物污染的厚层是有效的热绝缘体。作为结果，由于过热，船引擎必须以低得多的速度运行，使船自身慢下来，或者甚至达到完全停止。

存在众多促成生物污染的生物体。这包括像细菌和藻类那样非常小的生物体，而且还包括非常大的生物体，比如甲壳类动物。环境、水的温度和系统的目的全都在这里发挥作用。箱冷却器的环境在理想情况下适合于生物污染：要被冷却的流体加热至中等温度并且持续的水流带来营养素和新生物体。

相应地，用于防污的方法和装置是必需的。然而，现有技术的系统可能在它们的使用中是低效的，需要定期维护并且在大多数情况下导致具有可能危险的效应的到海水的离子放电。

因此，本发明的一个方面是提供根据所附独立权利要求的一种用于利用可替换的防污系统冷却轮船引擎的冷却装置。从属权利要求定义了有利实施例。

因此，基于光学方法、特别是使用紫外光（UV）提出了一种方案。看起来，利用“充足的”UV光，大多数微生物被杀死，致使其不活跃或无法再生。该效应主要由UV光的总剂量支配。杀死某种微生物的90%的典型剂量为每平方米10mW-小时。

用于冷却轮船引擎的冷却装置适合于放置在由轮船的船体和隔板限定的封闭箱中。在船体上提供入口和出口，使得海水可以自由进入箱容积，流过冷却装置，并且经由自然流动离开。冷却装置包括要被冷却的流体可以通过其传导的一束管和至少一个用于生成防污光的光源。本发明的冷却装置进一步包括用于改善防污光在淹没的外部上的分布的至少一个光学单元。

在冷却装置的一个实施例中，光源可以是具有管状结构的灯。对于这些光源，由于相当大，来自单个光源的所有光集中于邻近区域。相应地，有可能利用有限数量的光源实现防污的期望水平，有限数量的光源致使该解决方案相当成本有效。

用于生成UVC的最高效的源是低压汞放电灯，其中平均来说输入瓦特的35%被转换成UVC瓦特。几乎完全在254nm处、也就是说在最大杀菌效果的85%处生成辐射（图3）。飞利浦的低压管状荧光紫外光（TUV）灯具有过滤掉臭氧形成辐射的特殊玻璃的封套，在此情况下185nm汞线。

对于各种飞利浦杀菌TUV灯，电气和机械属性与它们的相当于可见光的照明相同。这允许它们以相同方式被操作，即使用电子或磁性镇流器/启动器电路。就所有低压灯来说，在灯操作温度与输出之间存在关系。在低压灯中，在254nm处的谐振线在放电管中某个汞蒸汽压力下是最强的。该压力由操作温度确定并且在40℃的管壁温度处（与大约25℃的外界温度对应）优化。还应当认识到，灯输出受到跨越灯的空气流（强迫的或自然的）、所谓风冷因素影响。读者应当注意，对于一些灯，增大空气流和/或降低温度可以增大杀菌输出。在高输出（HO）灯、即在具有与针对它们的线性尺寸的标准相比更高瓦数的灯中满足这一点。

第二类型的UV源是中压汞灯，在这里，更高的压力激发更多能量水平，从而产生更多谱线和连续体（重组辐射）。应当注意，石英封套透射低于240nm，因此臭氧可以从空气形成。中压源的优点是：

• 高功率密度；

• 高功率，导致与用在相同应用的低压类型相比更少的灯；以及

• 对环境温度的较低灵敏度。

所述灯应当被操作成使得壁温度介于600℃与900℃之间并且少量（pinch）不超过350℃。这些灯可以被调光，如低压灯可以这样。

而且，可以使用介电阻挡放电（DBD）灯。这些灯可以以各种波长且以高电到光功率效率提供非常强大的UV光。

所需要的杀菌剂量也可以利用现有的低成本、较低功率的UV LED容易地实现。与其他类型的光源相比，LED一般地可以包括在相对较小的封装中并且消耗较少的功率。LED可以被制造成发射各种期望波长的（UV）光，并且它们的操作参数，最显著的是输出功率，可以在高程度上被控制。

在根据本发明的冷却装置的一个实施例中，所述光学单元至少部分地朝向管之间延伸。相应地，防污光在管的外部的整个表面之上的均匀且有效分布得到确保。

在根据本发明的冷却装置的一个实施例中，光学单元包括至少一个光学介质，光源生成的光通过该光学介质行进。该光学介质将光源所生成的光朝向管的外部的、防污光无法到达的区域传递，并且因此在这些区域中的污染也被避免。

在本发明的一个实施例中，光学介质包括填充有用于借此引导至少部分防污光的气体和/或清水的空间，例如通道。特别地，光学介质可以是至少部分中空的并且被填充气体和/或清水。

在根据本发明的冷却装置的一个实施例中，光学介质是布置在光源前面的光散布器，以用于在具有基本平行于管的外部的分量的方向上散布由光源发射的防污光的至少部分。该光学介质被布置在所述至少一个光源前面以用于在具有基本平行于管的外部的分量的方向上散布由所述至少一个光源发射的防污光的至少部分。光散布器的一个示例可以是布置在光学介质中且位置与所述至少一个光源相对的“相对”锥体，其中该相对锥体具有与管的外部的垂线成45°的表面区域，以用于在基本平行于所述表面的方向上反射由光源发射的垂直于所述表面的光。

在根据本发明的冷却装置的一个实施例中，光学介质是光导。在所述实施例的优选版本中，光学介质被布置在所述至少一个光源前面，光导具有用于向内耦合来自所述至少一个光源的防污光的光内耦合表面和用于在朝向管的外部的方向上向外耦合防污光的光外耦合表面。换言之，光学介质的特定部段被刻意布置以便朝向管的外部泄漏光。

上述实施例中的光学介质使光跨越管的外部的实质性部分分布，并且包括硅树脂材料和/或UV级二氧化硅材料，特别是石英。UV级二氧化硅对UV光具有非常低的吸收，并且因而非常适合用作光学介质材料。相对大的物体可以使用复数个相对小的UV级二氧化硅片或部分一起制成或使用所谓的“熔融石英”制成，同时保留也针对较大物体的UV透射属性。硅树脂材料中嵌入的二氧化硅部分保护二氧化硅材料。在这样的组合中，二氧化硅部分可以在另外的硅树脂材料光学介质中提供UV透明散射器，以用于光通过光学介质的（重）分布且/或用于促进光从光导向外耦合。再者，二氧化硅颗粒和/或其他硬UV半透明材料的颗粒可以加强（fortify）硅树脂材料。特别地，片状二氧化硅颗粒可以使用，也在高密度中，硅树脂材料中高达50 %, 70 %或者甚至更高百分比的二氧化硅可以提供可以抵御冲击的强层。据认为，光学介质或光导的至少部分可以被提供有至少部分嵌入在硅树脂材料中的UV级二氧化硅颗粒（特别是片）的空间变化密度，例如以便改变光学和/或结构属性。这里，“片”标示在三个笛卡尔方向上具有尺寸的物体，其中这三个尺寸中的两个可能相互不同，然而，每一个明显大于第三尺寸，例如10、20倍大或明显更大、例如100倍大。

在本发明的一个实施例中，光导包括具有比液体环境的折射率更高的折射率的光导材料，使得防污光的至少部分在被在外耦合表面处向外耦合之前通过光导经由全内反射在基本上平行于管的外部的方向上传播。一些实施例可以包括将光散布器和光导组合的光学介质，或者具有到光学介质中的光导特征的集成的光散布特征。

所述至少一个光源和/或光学介质可以至少部分地布置在管的外部中、上和/或附近，以便在背离管的外部的方向上发射防污光。光源适于优选地发射防污光，同时管的外部至少部分地淹没在液体环境中。

在本发明的可替换实施例中，光学介质由玻璃、玻璃纤维、硅树脂或诸如PMMA之类的透明塑料中任一种制成。

在本发明的一个实施例中，光学介质的形式是从光源朝向管延伸的棒或纤维，使得光学介质的至少部分位于两个相邻管之间。

在本发明的一个实施例中，光学单元的形式是限制器，其限制光波远离光源阻止其上的污染的管的外部的传播，并且朝向该管外部反射光。

在冷却装置的一个实施例中，管至少部分地涂覆有防污光反射涂层。相应地，防污光将以漫射方式反射并且因此光在管之上更有效地分布。

本发明还提供一种包括如上所述的用于冷却轮船的引擎的冷却单元的轮船。在这样的实施例中，冷却单元放置于其中的箱的内表面可以至少部分地涂覆有防污光反射涂层。类似于上面的实施例，作为此特定实施例的结果，防污光将以漫射方式反射并且因此光在管之上更有效地分布。

当前提供的解决方案的一个优点是，微生物在粘附并根植于污染表面上之后未被杀死，正如已知的毒药分散涂层的情况那样，但是微生物在污染表面上的根植被防止。更高效的是，与去除大微生物结构的污染的光处理相比，刚好在微生物接触污染表面之前或恰好在其之后主动杀死微生物。该效果可能类似于通过使用微生物不能粘附于它的光滑的纳米表面产生的效果。

因为在初始根植阶段中杀死微生物所需的低量的光能量，系统可以被操作以连续提供跨越大表面的防污光，而没有极端的功率要求。

术语“基本上”在本文中将被本领域技术人员理解。术语“基本上”也可以包括具有“完全地”、“全部地”、“所有”等的实施例。因此，在实施例中，形容词基本上也可以被移除。在适用的情况下，术语“基本上”也可以涉及90%或更高，比如95%或更高，特别地99%或更高，甚至更特别地99.5%或更高，包括100%。术语“包括”也包括其中术语“包括”意指“由...构成”的实施例。在一个实施例中，术语“包括”可以指代“由...构成”，但是在另一个实施例中也可以指代“包含至少所限定的物种和可选地一个或多个其他物种”。

应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文描述或图示的其他顺序操作。

应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计出许多可替换实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应当解释为限制权利要求。元件之前的冠词“一”不排除多个这样的元件的存在。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。

本发明进一步适用于包括说明书中描述的和/或附图中示出的表征特征中的一个或多个的设备。

本专利中讨论的各种方面可以进行组合以便提供附加优点。而且，特征中的一些可以形成一个或多个分案申请的基础。

附图说明

现在将仅通过示例方式参照随附的示意图描述本发明的实施例，在随附的示意图中对应的参考符号指示对应的部分，并且在附图中：

图1是冷却装置的一个实施例的示意性表示；

图2是冷却装置的一个实施例的示意性水平截面图；

图3是冷却装置的另一个实施例的示意性竖直截面图；并且

这些图不一定按照比例。

具体实施方式

尽管本公开已经在附图和前面的描述中进行了详细图示和描述，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示范性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。进一步注意到，附图是示意性的，并一定按照比例，并且对理解本发明而言不需要的细节可能已被省略。术语“内部”、“外部”、“沿着”等涉及如图中取向的实施例，除非另外指定。而且，至少基本相同或执行至少基本相同的功能的元件由相同的数字标示。

作为基本实施例，图1示出用于冷却轮船的引擎的冷却装置（1）的示意图，该冷却装置被放置在封闭箱中，该封闭箱由轮船的船体（3）和隔板（4,5）限定以使得入口和出口（6,7）被提供在船体上，从而海水可以自由进入箱容积，流过冷却装置并且经由自然流动离开，该冷却装置包括要被冷却的流体可以通过其传导的一束管（8）、用于生成防污光的至少一个光源（9），所述光源通过管（8）布置以便在管（8）上发射防污光。热流体从上面进入管（8）且一路传导并且再一次离开，现在从顶侧冷却。同时，海水从入口（6）进入箱，流过管（8）并且从管（8）以及因而从其内传导的流体接收热量。从管（8）取得热量，海水变暖并上升。然后，该海水从位于船体（3）的较高点处的出口（7）离开箱。在此冷却过程期间，海水中存在的任何生物有机体倾向于附着到管（8），管（8）是温暖的并且为生物体提供适当的生活环境，该现象被称为污染。为了避免这样的附着，至少一个光源（9）通过管（8）布置，并且至少一个光学单元（2）通过光源（9）布置以用于朝向管（8）的淹没的外部引导防污光。如图1中所图示，一个或多个管状灯可以用作光源（9）以实现本发明的目标。

图2示出冷却装置（1），其中光单元（1）包括光源（9）所生成的光通过其行进的多个光学介质（10），并且其中所述光学单元（2）至少部分地位于两个相邻管（8）之间。在此实施例中，光学介质（10）是光导。在此实施例中，光学介质（10）的形式是具有分支的棒，所述分支从光源（9）朝向管（8）延伸。

图3示出一个实施例，其中布置在管（8）束的内侧上的光源（9）被提供有光导形式的光学介质（10），而布置在管（8）束的外侧上的光源（9）被提供有在光源（9）与管（8）之间的光散布器，以用于在具有基本上垂直于管（8）的外部的分量的在一个或多个方向上散布光源（9）所发射的防污光的至少部分。在此实施例中，冷却装置（1）进一步被提供有反射器（11），其限制光波远离光源（9）阻止其上的污染的管（8）的外部的传播并且朝向该管的外部反射该光。

针对或关于特定实施例讨论的元素和方面可以与其他实施例的元素和方面适当地组合，除非另外明确声明。本发明已经参照优选实施例进行了描述。在阅读并理解前面的详细描述之后，其他人可以想到修改和变更。预期的是，本发明被解释为将所有这样的修改和变更在它们到达的程度上包括在所附权利要求或其等价物的范围内。由于污染也可能发生在河或湖中，因此本发明一般地适用于借助于任何种类的表层水进行冷却。

Claims (17)

1.一种用于借助表层水冷却流体的冷却装置（1），该冷却装置包括：

- 多于一个的管（8），其用于在其内部容纳并运输流体，管（8）的外部在操作中至少部分地淹没在表层水中以便冷却管（8），从而也冷却流体，

- 至少一个光源（9），其用于产生阻止所述淹没的外部的至少部分上的污染的光，以及

- 至少一个光学单元（2），其用于朝向所述淹没的外部引导防污光，其中，光学单元（2）包括至少一个光学介质（10），光源（9）所生成的光通过该光学介质行进，并且其中光学介质（10）的形式是从光源（9）朝向管（8）延伸的棒。

2.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中所述光学单元（2）至少部分地位于两个相邻管（8）之间。

3.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中所述棒设置有分支。

4.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）包括填充有用于借此引导至少部分防污光的气体和/或清水的空间。

5.根据权利要求4所述的冷却装置（1），其中所述空间是通道。

6.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）是布置在光源（9）前面的光散布器，用于在具有基本垂直于管（8）的外部的分量的一个或多个方向上散布由光源（9）发射的防污光的至少部分。

7.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）是光导。

8.根据权利要求7所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）具有用于向内耦合来自所述至少一个光源（9）的防污光的光内耦合表面和用于在朝向管（8）的外部的方向上向外耦合防污光的光外耦合表面。

9.根据权利要求7或8所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）具有比表层水的折射率更高的折射率的引导材料，使得防污光的至少部分在被在外耦合表面处向外耦合之前通过光导经由全内反射在基本上平行于管（8）的外部的方向上传播。

10.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）由玻璃、玻璃纤维、硅树脂中任一种制成。

11.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中光学介质（10）由透明塑料制成。

12.根据权利要求11所述的冷却装置（1），其中所述透明塑料是聚甲基丙烯酸甲酯。

13.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中光学单元（2）包括反射器（11），其限制光波远离光源（9）阻止其上的污染的管（8）的外部的传播并且朝向该管外部反射光。

14.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中所述管形成管束，所述管束包括沿着其宽度平行布置的管层以使得每个管层包括多个发卡型管，每个发卡型管具有两个直管部分和一个半圆部分以便形成U形管，并且其中发卡型管设置有同心布置的半圆部分和平行布置的直管部分，使得最里面的半圆部分具有相对较小的半径并且最外面的半圆部分具有相对较大的半径，剩余的中间半圆部分具有设置在其间的逐渐累进的曲率半径。

15.根据权利要求1所述的冷却装置（1），其中管（8）至少部分地涂覆有光反射涂层。

16.一种包括根据任一前述权利要求所述的冷却装置（1）的轮船，其中，所述冷却装置（1）用于冷却所述轮船的引擎。

17.根据权利要求16所述的轮船，其中冷却装置（1）被放置在封闭箱中，该封闭箱由轮船的船体（3）和隔板（4,5）限定以使得入口和出口（6,7）被提供在船体（3）上，使得海水可以自由进入箱容积，流过冷却装置（1）并且经由自然流动离开，并且其中冷却装置（1）放置于其中的箱的内表面至少部分地涂覆有光反射涂层。

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