CN107062701A - 一种多热源船舶冷热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶余热利用、节能减排技术领域。本发明公开了一种多热源船舶冷热水系统，该系统能够根据航行状态及航行区域，选用不同模式，包括空气源制热水模式、太阳能制热水模式、太阳能与空气源的耦合制热水模式、船舶废气利用模式、制冷模式。制取热水时既能实现航行时的余热利用，同时也可利用太阳能与空气源的单一热源或耦合热源实现热水，克服低温海域时空气源效率较低的缺陷。制冷时，能够利用船舶工作环境水源充足的条件，利用海水吸收机舱内的热量，实现机舱降温。

Description

一种多热源船舶冷热水系统

技术领域

本发明属于船舶余热利用、节能减排技术领域，具体地涉及一种满足船舶各种运营状态下的人员需求的船舶多热源冷热水系统。

背景技术

随着全球经济一体化的深入，通过船舶运输的货物约占世界货物运输量的90%，消耗了大量的化石能源，污染环境的同时，降低了船舶的经济型。如何提高船舶的综合运行能效系数，已成航运界越来越关注的重要课题。船员所需的生活热水主要是由船舶锅炉提供的过热蒸汽进行加热，消耗宝贵的船用蒸汽，而船舶余热资源极为丰富，在以往复式内燃机为主机的绝大多数船舶中，燃料燃烧后仅有50%的热量转化为有用功，其余的热量则以各种方式被带走，其中柴油机废气温度约为为300～450℃，所占余热比例最高，这些余热均可以作为热水系统的热源。

目前，船用热水系统主要采用蒸汽加热、常规电热和空气源热泵，少数采用海水做为热源。专利：CN103353169 B，公开了一种双热源船用热泵热水器及其控制方法，所述热水器包括制冷剂回路、生活用水回路、海水回路和电控箱，通过切换蒸发器，将空气源热泵与海水源热泵有机结合起来，对船舶的经济性有一定提高。然而该系统与热水负荷存在一定矛盾，在船舶航行于低纬度海域时，空气和海水的温度较高，所携带热量也较高，能够满足船上工作人员的生活需求，但在低纬度时，所需的热水负荷往往也较低；当船舶航行在高纬度海域或冬季时，热水需求量也随之增加，但由于空气和海水温度都较低，所携带的热能也较少，热泵难于从中吸热生产热水。

专利：CN106403284A，公开了一种回收余热的船舶热泵热水系统，所述热水系统包括水热换热器、蒸发器、压缩机、节流阀、储水箱以及太阳能集热器。所述蒸发器用于回收船舶舱内空气的热量和太阳能集热器的热量，利用热泵吸收机舱内的余热，一定程度抑制了机舱内环境温度的升高，实现制备热水的目的。但该方法没有利用航行时船舶废气中的高温热源，完全由压缩机的运转产生热水，同时在船舶靠港或抛锚后，由于主机停转，机舱内环境温度随之降低，热泵产水所需的耗电量增加，在高纬度海域或冬季其经济性有待商榷。

发明内容

本发明的目的在于为解决上述问题而提供一种充分利用太阳能、空气源、海水源和船用废气能，效率更高，成本更低，能耗少且能满足船舶各种运营状态下人员热水及机舱降温的需求的多热源船舶冷热水系统。

为此，本发明公开了一种多热源船舶冷热水系统，包括空气源制热回路、太阳能制热回路、太阳能与空气源的耦合制热回路、船舶废气利用回路、制冷回路、生活用水回路和电控箱，所述空气源制热回路用于收集船舱内空气的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述太阳能制热回路用于收集太阳能的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述太阳能与空气源的耦合制热回路用于收集船舱内空气的热量和太阳能的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述船舶废气利用回路用于利用废气的余热对生活用水回路的水进行加热，所述制冷回路用于降低船舱内的温度，所述电控箱用于对空气源制热回路、太阳能制热回路、太阳能与空气源的耦合制热回路、船舶废气利用回路和制冷回路进行相应控制。

进一步的，所述空气源制热回路、太阳能制热回路以及太阳能与空气源的耦合回路包括太阳能集热板、第一电磁阀、压缩机、第二电磁三通阀、储热水箱、第一电磁三通阀、干燥器、膨胀阀、蒸发器、风机和气液分离器，所述储热水箱内设有用于与储热水箱内的水进行热交换的第一热交换管道，所述蒸发器的出口通过管道依次连接气液分离器、压缩机和第二电磁三通阀的进口，第二电磁三通阀的第一出口通过管道依次连接第一热交换管道和第一电磁三通阀的第一进口，第一电磁三通阀的出口通过管道依次连接干燥器、膨胀阀和蒸发器的进口，风机用于将空气吹向蒸发器，太阳能集热板的进口通过管道接膨胀阀的出口，太阳能集热板的出口通过管道接气液分离器的进口，第一电磁阀设置在太阳能集热板的进口端或出口端，第一电磁阀、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀和风机的控制端分别与电控箱连接，管道内填充有热泵工质。

更进一步的，所述制冷回路包括压缩机、第二电磁三通阀、第一电磁三通阀、干燥器、膨胀阀、蒸发器、风机、海水冷凝器和气液分离器，所述海水冷凝器的进口通过管道接第二电磁三通阀的第二出口，所述海水冷凝器的出口接第一电磁三通阀的第二进口。

进一步的，还包括视液镜，所述视液镜设置在干燥器和膨胀阀之间的管道上。

进一步的，所述蒸发器设置在机舱内，并与风机紧贴。

进一步的，所述船舶废气利用回路包括第二电磁阀、储热水箱，所述储热水箱内设有用于与储热水箱内的水进行热交换的第二热交换管道，所述第二热交换管道的进口通过管道依次连接第二电磁阀和废气涡轮增压器的废气出口，第二热交换管道的出口伸出储热水箱外接废气排放管，所述第二电磁阀的控制端与电控箱连接。

进一步的，所述生活用水回路包括冷水上水阀门、储热水箱、淋浴喷头及出热水阀门，储热水箱的冷水进水口接有冷水管，冷水上水阀门设置冷水管上，所述淋浴喷头及出热水阀门分别通过热水管与储热水箱的热水出水口连接。所述冷水上水阀门的控制端与电控箱连接。

更进一步的，所述储热水箱内设有压力传感器、温度传感器和液位传感器，所述压力传感器、温度传感器和液位传感器的输出端分别与电控箱的输入端连接。

进一步的，所述储热水箱内装有相变材料，所述相变材料填充在扁球状的蓄热体内，蓄热体的外径大于冷热水管的管径，同时冷热水水管在储热水箱内呈斜切口状。

更进一步的，所述相变材料的相变温度为75℃左右，在达到该温度后能够相变吸热，而在温度低于该温度时，能够进行相变放热。

本发明的有益技术效果：

本发明制取热水时既能实现主机产生的废气热量利用，同时也可利用太阳能与空气源的单一热源或耦合热源实现热水，克服低温海域时空气源效率较低的缺陷。制冷时，能够利用船舶工作环境水源充足的条件，利用海水吸收机舱内的热量，实现机舱降温，利于远洋船员工作。从而大大降低了热水制备的耗电量或耗汽量，提高船舶有限能源的利用率，降低了使用成本，且通过优化设计，结构简单，成本低，安装简便。

附图说明

图1为本发明具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

一种多热源船舶冷热水系统，包括空气源制热回路、太阳能制热回路、太阳能与空气源的耦合制热回路、船舶废气利用回路、制冷回路、生活用水回路和电控箱，所述空气源制热回路用于收集船舱内空气的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述太阳能制热回路用于收集太阳能的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述太阳能与空气源的耦合制热回路用于收集船舱内空气的热量和太阳能的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述船舶废气利用回路用于利用废气的余热对生活用水回路的水进行加热，所述制冷回路用于降低船舱内的温度，所述电控箱用于对空气源制热回路、太阳能制热回路、太阳能与空气源的耦合制热回路、船舶废气利用回路和制冷回路进行相应控制。

本具体实施例中，如图1所示（图中实线表示管道，虚线表示控制线），所述空气源制热回路、太阳能制热回路以及太阳能与空气源的耦合回路包括太阳能集热板1、第一电磁阀13、压缩机16、第二电磁三通阀17、储热水箱10、第一电磁三通阀8、干燥器7、膨胀阀5、蒸发器3、风机2和气液分离器14，所述制冷回路包括压缩机16、第二电磁三通阀17、第一电磁三通阀8、干燥器7、膨胀阀5、蒸发器3、风机2、海水冷凝器4和气液分离器14，所述船舶废气利用回路包括第二电磁阀22、储热水箱10，所述生活用水回路包括冷水上水阀门23、储热水箱10、淋浴喷头11及出热水阀门12。

本具体实施例中，储热水箱10内设有用于与储热水箱10内的水进行热交换的第一热交换管道和第二热交换管道（图中未示出），同时还装有相变材料，所述相变材料填充在扁球状的蓄热体内，蓄热体相互之间具有间隙，可以使水进入其中，蓄热体的外径大于冷热水管的管径，防止蓄热体跑出储热水箱10外，本具体实施例中，相变材料的相变温度为75℃左右，在达到该温度后能够相变吸热，而在温度低于该温度时，能够进行相变放热，当然，在其它实施例中，相变材料的相变温度可以根据实际需要进行选择，相变材料采用公知的相变材料，此不再细说。储热水箱10的底部设有冷水进水口，顶部设有热水出水口，当然，在其它实施例中，冷水进水口和热水出水口的位置可以根据实际情况而定。冷水进水口连接有冷水水管，热水出水口连接有热水水管，冷热水水管在储热水箱10内的端口呈斜切口状，防止蓄热体堵住冷热水水管口。

储热水箱内还设有压力传感器18、温度传感器19和液位传感器20，压力传感器18、温度传感器19和液位传感器20的输出端分别与电控箱24的输入端连接。

所述蒸发器3的出口通过管道依次连接气液分离器14、压缩机16和第二电磁三通阀17的进口a，第二电磁三通阀17的第一出口b通过管道依次连接第一热交换管道和第一电磁三通阀8的第一进口b，第一电磁三通阀8的出口a通过管道依次连接干燥器7、膨胀阀5和蒸发器3的进口，风机2用于将空气吹向蒸发器3，太阳能集热板1的进口通过管道接膨胀阀5的出口，太阳能集热板1的出口通过管道接气液分离器14的进口，第一电磁阀13设置在太阳能集热板1的出口端，当然，在其它实施中，也可以设置在太阳能集热板1的进口端，第一电磁阀13、第一电磁三通阀8、第二电磁三通阀17和风机2的控制端分别与电控箱24连接，管道内填充有热泵工质，热泵工质采用公知的热泵工质，如二氧化碳等。

所述海水冷凝器4的进口通过管道接第二电磁三通阀17的第二出口c，所述海水冷凝器4的出口接第一电磁三通阀8的第二进口c，海水冷凝器4的海水入水口接海水泵15的出口，海水泵15的入口伸入海水内。

所述第二热交换管道的进口通过管道依次连接第二电磁阀22和废气涡轮增压器21的废气出口，第二热交换管道的出口伸出储热水箱10外接废气排放管（图中未示出），所述第二电磁阀22的控制端与电控箱24连接。

储热水箱10的冷水进水口接有冷水管，冷水上水阀门23设置冷水管上，所述淋浴喷头11及出热水阀门12分别通过热水管与储热水箱10的热水出水口连接。所述冷水上水阀门23的控制端与电控箱24连接。

进一步的，还包括视液镜6，所述视液镜6设置在干燥器5和膨胀阀7之间的管道上。

进一步的，还包括安全阀9，安全阀9设置在储热水箱10的热水出口的热水水管上，实现对储热水箱1箱体及热水水管的保护

进一步的，本具体实施例中，蒸发器3设置在机舱内，并与风机2紧贴。

工作过程：

在船舶航行时，开启冷水上水阀23、第二电磁阀22，停第一电磁三通阀8、风机2、第一电磁阀13、压缩机14及第二电磁三通阀17，由冷水上水阀门23自储热水箱10底部补水，主机废气经废气涡轮增压器利用后温度仍然较高，电控箱24打开电磁阀22，使得废气能够进入储热水箱10内的第二热交换管道，废气在第二热交换管道中对水进行加热，水作为传热介质，对相变材料进行加热，在水达到75℃后，扁球状蓄热体开始相变储热，待相变完成，蓄热体间的水温稳定达到90℃时，关闭第二电磁阀23，在此过程中，安全阀9能够监测储热水箱10箱体内的压强，必要时开启。

在停航时，在空气源热泵热水模式下，开启第一电磁三通阀8的a、b口，开启第二电磁三通阀17的a、b口，关闭第一电磁阀13、启动压缩机16，使其能够吸管道内的热泵工质，高温高压的热泵工质在储热水箱10内的第一热交换管道中对扁球状蓄热体间的水进行加热，进一步地将热量传递给蓄热体，放热后的热泵工质经第一电磁三通阀8的b口进入，经干燥器7、视液镜6后，进入膨胀阀5，经节流降压后，进入蒸发器3中，在蒸发器3中的管道中吸收管外空气中的热量，进一步，吸收热量后的热泵工质自蒸发器3出来后进入气液分离器14，经气液分离后，热泵工质被压缩机16吸入后压缩，自第二电磁三通阀17的a口进入，自b口流出后进入储热水箱10内，如此循环。

在停航时，在太阳能热泵热水模式下，电控箱24开启第一电磁三通阀8的a、b口，开启第二电磁三通阀17的a、b口，停风机2，启动压缩机16，其能够吸收管道中的热泵工质，并进行压缩，压缩完成后，高温高压的热泵工质在储热水箱10内的第一热交换管道中对扁球状蓄热体间的水进行加热，进一步地将热量传递给蓄热体，放热后的热泵工质经第一电磁三通阀8的b口进入，自第一电磁三通阀8的a口出来，经干燥器7、视液镜6后，进入膨胀阀5，经节流降压后，进入太阳能集热器1中，在太阳能集热器1的管道中吸收太阳辐射能，进一步地，吸收热量后的热泵工质自太阳能集热器1出来后进入电磁阀13的a口，经电磁阀13的b口出来后，进入气液分离器14，经气液分离后，热泵工质被压缩机16吸入后压缩，进入第二电磁三通阀17的a口，自b口流出后进入储热水箱10内，如此循环。

在停航时，在太阳能与空气源耦合热泵热水模式下，电控箱24开启第一电磁三通阀8的a、b口，开启第二电磁三通阀17的a、b口，开启第一电磁阀13、开启风机2，启动压缩机16，其能够吸收管道中的热泵工质，并进行压缩，压缩完成后，高温高压的热泵工质在储热水箱10内的第一热交换管道中对扁球状蓄热体间的水进行加热，进一步地将热量传递给蓄热体，放热后的热泵工质经第一电磁三通阀8的b口进入，自第一电磁三通阀8的a口出来，经干燥器7、视液镜6后，进入膨胀阀5，经节流降压后，进入太阳能集热器1和蒸发器2的管道中，在管道中吸收太阳辐射能和空气能，进一步地，吸收热量后的热泵工质自太阳能集热器1出来后进入第一电磁阀13的a口，经第一电磁阀13的b口出来，与自蒸发器2出来热泵工质混合后进入气液分离器14，经气液分离后，热泵工质被压缩机16吸入后压缩，进入第二电磁三通阀17的a口，自b口流出后进入储热水箱10内，如此循环。

在制冷模式时，电控箱24开启第一电磁三通阀8的a、c口，开启第二电磁三通阀17的a、c口，停第一电磁阀13、开启海水泵15、启动压缩机16，其能够吸收管道中的热泵工质，并进行压缩，压缩完成后，高温高压的热泵工质在海水冷凝器4内的热交换管道中将热量传递给管外的海水，被海水冷凝后的热泵工质自海水冷凝器4出来，进入第一电磁三通阀的c口，后经干燥器7、视液镜6后，进入膨胀阀5，经节流降压后，进入蒸发器4中，工质在蒸发器3的管道中吸收管外空气中的热量，进一步，吸收热量后的热泵工质自蒸发器3出来后进入气液分离器14，经气液分离后，热泵工质被压缩机16吸入后压缩，自第二电磁三通阀17的a口进入，c口流出后进入海水冷凝器4中冷凝，如此循环，实现机舱降温，利于远洋船员工作。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多热源船舶冷热水系统，其特征在于：包括空气源制热回路、太阳能制热回路、太阳能与空气源的耦合制热回路、船舶废气利用回路、制冷回路、生活用水回路和电控箱，所述空气源制热回路用于收集船舱内空气的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述太阳能制热回路用于收集太阳能的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述太阳能与空气源的耦合制热回路用于收集船舱内空气的热量和太阳能的热量以对生活用水回路的水进行加热，所述船舶废气利用回路用于利用废气的余热对生活用水回路的水进行加热，所述制冷回路用于降低船舱内的温度，所述电控箱用于对空气源制热回路、太阳能制热回路、太阳能与空气源的耦合制热回路、船舶废气利用回路和制冷回路进行相应控制。

2.根据权利要求1所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述空气源制热回路、太阳能制热回路以及太阳能与空气源的耦合回路包括太阳能集热板、第一电磁阀、压缩机、第二电磁三通阀、储热水箱、第一电磁三通阀、干燥器、膨胀阀、蒸发器、风机和气液分离器，所述储热水箱内设有用于与储热水箱内的水进行热交换的第一热交换管道，所述蒸发器的出口通过管道依次连接气液分离器、压缩机和第二电磁三通阀的进口，第二电磁三通阀的第一出口通过管道依次连接第一热交换管道和第一电磁三通阀的第一进口，第一电磁三通阀的出口通过管道依次连接干燥器、膨胀阀和蒸发器的进口，风机用于将空气吹向蒸发器，太阳能集热板的进口通过管道接膨胀阀的出口，太阳能集热板的出口通过管道接气液分离器的进口，第一电磁阀设置在太阳能集热板的进口端或出口端，第一电磁阀、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀和风机的控制端分别与电控箱连接，管道内填充有热泵工质。

3.根据权利要求2所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述制冷回路包括压缩机、第二电磁三通阀、第一电磁三通阀、干燥器、膨胀阀、蒸发器、风机、海水冷凝器和气液分离器，所述海水冷凝器的进口通过管道接第二电磁三通阀的第二出口，所述海水冷凝器的出口接第一电磁三通阀的第二进口。

4.根据权利要求2或3所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：还包括视液镜，所述视液镜设置在干燥器和膨胀阀之间的管道上。

5.根据权利要求2或3所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述蒸发器设置在机舱内，并与风机紧贴。

6.根据权利要求1或2或3所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述船舶废气利用回路包括第二电磁阀、储热水箱，所述储热水箱内设有用于与储热水箱内的水进行热交换的第二热交换管道，所述第二热交换管道的进口通过管道依次连接第二电磁阀和废气涡轮增压器的废气出口，第二热交换管道的出口伸出储热水箱外接废气排放管，所述第二电磁阀的控制端与电控箱连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述生活用水回路包括冷水上水阀门、储热水箱、淋浴喷头及出热水阀门，储热水箱的冷水进水口接有冷水管，冷水上水阀门设置冷水管上，所述淋浴喷头及出热水阀门分别通过热水管与储热水箱的热水出水口连接，所述冷水上水阀门的控制端与电控箱连接。

8.根据权利要求7所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述储热水箱内设有压力传感器、温度传感器和液位传感器，所述压力传感器、温度传感器和液位传感器的输出端分别与电控箱的输入端连接。

9.根据权利要求7所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述储热水箱内装有相变材料，所述相变材料填充在扁球状的蓄热体内，蓄热体的外径大于冷热水管的管径，同时冷热水水管在储热水箱内呈斜切口状。

10.根据权利要求9所述的多热源船舶冷热水系统，其特征在于：所述相变材料的相变温度为75℃，在达到该温度后能够相变吸热，而在温度低于该温度时，能够进行相变放热。