CN108082435A - 一种基于热浮升原理的自流循环水系统 - Google Patents

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姚志崇
胡芳琳
张万良
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/38—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like
    • B63H21/383—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like for handling cooling-water

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Abstract

本发明涉及一种基于热浮升原理的自流循环水系统，包括依次连接的进水管路、换热器和出水管路，所述进水管路进口处设置在潜水器下部，所述出水管路出口设置在潜水器上部，且所述出水管路至少包括一段竖直段，所述基于热浮升原理的自流循环水系统，潜水器在低速或悬停的状态下，仍然能够依靠的热浮力的天然源动力，实现水流自循环，运行极为可靠、可降低噪音、降低循环水泵运行费用。

Description

一种基于热浮升原理的自流循环水系统
技术领域
本发明涉及潜水器，尤其涉及一种基于热浮升原理的自流循环水系统。
背景技术
为了提高冷却循环水系统的可靠性、降低噪音、降低循环水泵运行费用，船舶、舰艇采用了自流循环水系统，所谓自流循环水系统就是利用船艇与舷外海水之间的相对速度，将动能转化为压能，使海水能克服管路阻力自行流过换热器。若船艇与海水之间的相对速度较低，则自流循环能力变弱，需要借助水泵提高水循环能力。以海洋开发、水下探测、水下作业为任务的潜水器，设计航速一般都不太高，作业时航速很低，甚至处于悬停状态，靠自身运动产生的自流循环能力较弱或丧失。
发明内容
本申请人针对以上缺点，进行了研究改进，提供一种基于热浮升原理的自流循环水系统。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于热浮升原理的自流循环水系统，包括依次连接的进水管路、换热器和出水管路，所述进水管路进口处设置在潜水器下部，所述出水管路出口设置在潜水器上部，且所述出水管路至少包括一段竖直段。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述出水管路内设置循环水泵。
所述进水管路和出水管路内分别设置进水温度传感器和出水温度传感器。
所述出水管路外侧包裹有隔热保温层。
所述进水管路的进口处设置在潜水器下部迎着来流的方向上。
自流循环水系统的海水在换热器内热交换后，温度升高，密度变轻，与背景海水存在密度差，产生的压力差使受热后的海水沿出水管路向上浮升，整个循环水系统也就在热浮升力的驱动下形成了自流循环。
基于热浮升原理的自流循环水系统的能量平衡方程如下：
式中，Δρ是海水换热前后的密度差，Δh是受热海水出水管路的高程，g是重力加速度，ρ是海水的密度，v1和v2分别表示循环水系统进、出水口处的速度，∑h是循环水系统的流动阻力水头损失。方程式表示受热海水的浮升能量一部分转化为循环水系统建立一定的速度能所消耗的能量，一部分转化为循环水系统流动阻力损失。
方程描述的研究对象并非均质流体，海水在换热器内受热后，密度变小，令换热前冷海水的密度为ρ0，换热后的密度为ρ′。则海水密度可表示为
式中，Z0为换热器中心线距海底的高程，Z2为出水口中心线距海底的高程。方程式(1)左边是冷却水系统能自流循环的动力源，可见换热前后海水的密度差越大，亦即温差越大；受热海水从换热器流出后出水管路的高程越高，亦即“烟囱”越高，自流循环的动力就越足，循环水的流速越高，换热效果也越好。
ΔρgΔh是自流循环的动力源，其当量压强水头为
对应的当量速度水头(动压头)为
又有
假设传统方法利用潜水器与海水的相对速度实现自流循环时航速动能可完全转化为压能驱动自流循环，则本发明利用热浮升运动获得的自流循环动力源相当于潜水器以航速V航行时传统的自流循环的能力，航速V可由式(5)来估算。
本发明的有益效果如下：1、在潜水器低航速时甚至悬停状态也能实现自流循环，依靠的热浮力是天然的源动力，运行极为可靠、可降低噪音、降低循环水泵运行费用；2、结构改进简单，相比传统的自流循环系统仅将出口管路调整为在潜水器上部出口即可，不增加新的设备仪器，易于实现；3、本发明自流循环系统仍天然的具备传统自流循环系统的能力，是传统冷却水系统可实现自流循环工况范围的拓展；因此，新型自流循环系统与传统自流循环系统有很好的兼容性，相应的与潜水器整个装备系统也易于兼容匹配；4、给出的基于热浮升原理的自流循环能力估算方法，可方便潜水器设计者评估冷却水系统的换热能力以设计合理的循环冷却水系统方案，也可指导潜水器操纵者选择合理的冷却水系统运行策略。
附图说明
图1为本发明提供的基于热浮升原理的自流循环水系统的结构示意图。
图2为本发明提供的基于热浮升原理的自流循环水系统的海水水温分布图。
图3为本发明提供的基于热浮升原理的自流循环水系统的海水密度分布图。
图4为本发明提供的基于热浮升原理的自流循环水系统的海水流场分布和流线图。
图中：1、进水管路；11、进水温度传感器；2、换热器；3、出水管路；31、竖直段；32、出水温度传感器；33、隔热保温层；4、潜水器；5、循环水泵。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1至图4所示，本实施例的基于热浮升原理的自流循环水系统，包括依次连接的进水管路1、换热器2和出水管路3，进水管路1进口处设置在潜水器4下部，并且在迎着来流的方向上，使潜水器4有航速时也可将水动能转化压能使冷却水系统产生自流循环，出水管路3出口设置在潜水器4上部，且出水管路3至少包括一段竖直段31，出水管路3内设置循环水泵5，当自流循环水系统进流不能满足换热需求时可启动循环水泵5，加速系统的循环速度，提升换热器2换热能力，出水管路3外侧包裹有隔热保温层33，对出水管路3内热水进行保温，使其不至于在管外冷海水的作用下温度降低而丧失热浮升力，进水管路1和出水管路3内分别设置进水温度传感器11和出水温度传感器32，可检测进流冷水和出流热水的温度，使进流冷水和出流热水的温差控制在设定目标范围内。
所述基于热浮升原理的自流循环水系统使用时，低温的海水从进水管路1进入，将低温的海水送入换热器2，潜水器4内部的设备产生的热量也被送至换热器2，与低温的海水换热，海水温度提高，密度降低，在周围高密度海水作用下，其浮力大于重力，其合力就是竖直向上的浮升力，即可沿着出水管路3的排出，海水在热浮升力的驱动下形成了自流循环，低温的海水不断的进入换热器2，在换热器2加热后，密度变轻，又生成新的热浮升循环流动动力源，周而复始。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种基于热浮升原理的自流循环水系统，其特征在于：包括依次连接的进水管路(1)、换热器(2)和出水管路(3)，所述进水管路(1)进口处设置在潜水器(4)下部，所述出水管路(3)出口设置在潜水器(4)上部，且所述出水管路(3)至少包括一段竖直段(31)。
2.根据权利要求1所述的基于热浮升原理的自流循环水系统，其特征在于：所述出水管路(3)内设置循环水泵(5)。
3.根据权利要求1所述的基于热浮升原理的自流循环水系统，其特征在于：所述进水管路(1)和出水管路(3)内分别设置进水温度传感器(11)和出水温度传感器(32)。
4.根据权利要求1-3所述的任意一项基于热浮升原理的自流循环水系统，其特征在于：所述出水管路(3)外侧包裹有隔热保温层(33)。
5.根据权利要求1或3所述的基于热浮升原理的自流循环水系统，其特征在于：所述进水管路(1)的进口处设置在潜水器下部迎着来流的方向上。
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