CN111365112A - 一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，包括脉动循环系统和增压循环系统，所述脉动循环系统由柴油机缸套、离心水泵、脉动阀、电动机和缸套水冷却器组成；所述增压循环系统由隔膜增压器，锥形管以及第一单向阀和第二单向阀组成。本发明利用液压原理通过脉动阀将流体的动能转变为压力势能冲击隔膜增压器，在隔膜增压器内又将流体增加的动能变为对脉动循环系统的压力；脉动循环系统的压力增加后可减少离心水泵的能耗，在提高换热效率的基础上使系统更加节能；通过改变增压循环系统中锥形管的尺寸可以灵活调节所需压力来满足实际要求。

Description

一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置

技术领域

本发明属于节能减排技术领域。涉及一种船用柴油机冷却技术，更具体地说，涉及一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置及其工作方法。

背景技术

船用柴油机冷却系统是船舶冷却系统中不可或缺的一个部分。其功能是散发热量，降低柴油机缸套的工作温度，保证其能正常高效的工作。作为一项传统产品，换热器目前的技术已经能够满足船舶主机的需求，不少人士认为此方面技术已经相对成熟和完善。然而据了解，与船舶辅机其它部件相比，换热器技术发展还相对较落后。尤其是随着节能减排政策的推进以及新能源技术的推广加快，这对换热器的设计及技术提出了更高的要求。

中国专利号为201210145569.8，公开(公告)日2012.09.19的发明专利，公开了一种可调往复式脉动流强化传热换热器，该专利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，可以达到强化换热的目的。但是由于电机调频和管道泵输送流体都需要消耗电能，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，通过消耗额外能源来增强换热效率的方法，使节能效果并不理想，导致有源强化换热在实际应用中受到限制。因此，提高供热系统的换热效率，减少脉动装置的能量消耗，成为脉动换热技术的难题。由于脉动强化换热在对流强化传热技术分类上属于有源强化换热，在换热过程中需要消耗额外的机械能做功，在提高效率的同时增加了新的能耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决在船用柴油机冷却系统中脉动换热技术中为增加流体脉动的流速，提高柴油机冷却系统的换热效率而导致脉动发生装置的机械能消耗增加的矛盾，实现在流体自身脉动过程中产生的液压冲击压力使脉动速度增加的功能。提供一种带有脉动增压功能的船舶柴油机缸套与冷却水换热装置及其工作方法。

为达到上述目的，本发明实现目的所采取的技术方案是：

一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，包括脉动循环系统和增压循环系统，所述脉动循环系统由柴油机缸套1、离心水泵2、脉动阀3、电动机4和缸套水冷却器5组成，其中所述柴油机缸套1中的冷却水出口通过管道依次与离心水泵2，脉动阀3，缸套水冷却器5和柴油机缸套1的冷却水进口相连接形成封闭的脉动循环系统；所述脉动阀3上还安置有用来控制脉动阀3周期性的开启和关闭的电动机4；所述增压循环系统由隔膜增压器7，锥形管9以及第一单向阀8和第二单向阀11组成，其中所述的隔膜增压器7的进口c通过管道连接在所述脉动阀3进口处的管道上，隔膜增压器7的第二出口b通过管道依次连接第一单向阀8，锥形管9和第二单向阀11，再由第二单向阀11连接到隔膜增压器7的第一出口a形成封闭的增压循环系统。

进一步优选，在所述的离心水泵2和脉动阀3之间的管道上还连接有用以补偿脉动循环系统的压力波动的第一液压蓄能器6；在所述的锥形管9和第二单向阀11之间的管道上还连接有用以补偿增压循环系统中的压力波动的第二液压蓄能器10。

进一步优选，所述的锥形管9为同心锥形管和偏心锥形管中的任一种。

进一步优选，所述的脉动阀3为电磁阀或凸轮轴阀。

进一步优选，所述的第一单向阀8和第二单向阀11均为直通式CV型或CH型单向阀。

进一步优选，所述的第一液压蓄能器6和第二液压蓄能器10均为气体隔膜式液压蓄能器。

进一步优选，所述的隔膜增压器7包括设有进口c的下腔体7-1和设有第一出口a和第二出口b的上腔体7-5，其中所述上腔体7-5中心设置有一伸进腔内的空心螺栓7-6，所述上腔体7-5和下腔体7-1之间设置有盘形弹性膜片7-2，所述弹性膜片7-2中心设置有一穿入空心螺栓7-6的实心螺栓7-4，所述实心螺栓7-4上套装有一端顶住弹性膜片7-2，另一端顶住空心螺栓7-6的调节弹簧7-3。

进一步优选，所述隔膜增压器7上腔体7-5和下腔体7-1的容积相同或不同；形状为六面体或圆柱体或圆台体；腔体材料为不锈钢或碳钢。

进一步优选，所述弹性膜片7-2的材料为橡胶膜和丁基胶膜中的任一种。

进一步优选，所述调节弹簧7-3为合金有色热卷弹簧或不锈钢有色热卷弹簧，弹簧的最大弹力需小于流体脉动的冲击压力。

本发明的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置的工作原理是：当离心水泵2运行时，流体在柴油机缸套1和缸套水冷却器5之间循环流动换热，并且已知的工况参数为流体速度0.5m/s，流量2t/h和吸入压力60kPa。在冷却水循环中通过脉动阀3的开闭使流体产生脉动。电动机4以1.5Hz/s的频率旋转，通过曲柄机构驱动脉动阀3的阀门。脉动阀3在打开时液体可以自由地通过，进一步沿着回路通过缸套水冷却器5在换热系统中循环。在脉动阀3关闭的瞬间，管道中存在急剧的压力跳跃，由此形成指向与流体流动相反的方向的脉冲。液体以高速导向隔膜增压器7的进口c。在水锤作用下形成液压冲击的流体在压力作用下进入隔膜增压器7的下腔体7-1，使弹性膜片7-2变形。弹性膜片7-2变形后将上腔体7-5内的液体推过第一单向阀8。部分流体被引导到第二液压蓄能器10，第二液压蓄能器10在那里补偿液体的压力波动。流体由第一单向阀8流出后通过管道进入锥形管9使流体速度增加，流速增大后的流体继续沿管路通过第二单向阀11流回隔膜增压器7的上腔体7-5冲击弹性膜片7-2，弹性膜片7-2受到冲击后产生的压力大于隔膜增压器7的进口c处脉动流的冲击压力，因此脉动循环系统中的压力会因弹性膜片7-2的冲击而增加。

在本发明中，当流体通过脉动阀3时，电动机4以给定的频率旋转，通过曲柄机构驱动脉动阀3的阀门，阀门的开闭将会使流体出现液压冲击，此时流体的动能全部转化为管道中的压力势能。之后，在凸轮轴转动的作用下，脉动阀3的阀门将返回到初始打开位置，并且将在上述序列中重复该过程。在这种情况下，脉动阀3的输出总是表现为流动介质的脉动流模式。

在本发明中，通过使用脉冲流体冲击隔膜增压器7的弹性膜片7-2后在增压系统中增加流体流动速度，流体加速返回隔膜增压器7后反向冲击弹性膜片7-2使其作用于脉动流体达到脉动循环系统的增压目的。弹性膜片7-2进行完全拉伸时导致隔膜增压器7满负荷工作，此时增压系统的效率达到最大值。因此，脉冲模式能够通过隔膜增压器7增加脉动循环系统中的压力，这又降低了在脉动循环系统中离心水泵2的能量成本。

本发明的脉动增压功能的装置，主要在以下几个方面具有突出优点：

本发明利用液压原理通过脉动阀将流体的动能转变为压力势能冲击隔膜增压器，在隔膜增压器内又将流体增加的动能变为对脉动循环系统的压力达到增压目的而不需要额外消耗能量；脉动循环系统的压力增加后可减少离心水泵的能耗，在提高换热效率的基础上使系统更加节能；通过改变增压循环系统中锥形管的尺寸可以灵活调节所需压力来满足实际要求。

附图说明

图1为本发明的构造原理示意图。

图2为本发明中隔膜增压器的结构构造剖视图

图1中附图标记说明：1.柴油机缸套，2.离心水泵，3.脉动阀，4.电动机，5.缸套水冷却器，6.第一液压蓄能器，7.隔膜增压器，8.第一单向阀，9.锥形管，10.第二液压蓄能器，11.第二单向阀，a.第一出口，b.第二出口，c.进口，

图2中附图标记说明：7-1.下腔体，7-2.弹性膜片，7-3.调节弹簧，7-4实心螺栓，7-5.上腔体，7-6.空心螺栓，a.第一出口，b.第二出口，c.进口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图2所示，为本发明的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，由柴油机缸套1，缸套水冷却器5，离心水泵2，电动机4，脉动阀3，第一单向阀8，第二单向阀11，隔膜增压器7，锥形管9，第一液压蓄能器6、第二液压蓄能器10构成；其中，所述柴油机缸套1通过管道与离心水泵2、脉动阀3、缸套水冷却器5、第一液压蓄能器6相连通组成冷却水的脉动循环系统。所述柴油机缸套1中的冷却水通过管道与离心水泵2连接，并在离心水泵2后的管道上安装脉动阀3，所述第一液压蓄能器6连接在离心水泵2和脉动阀3之间的管道上以补偿脉动循环系统的压力波动，所述电动机4安装在脉动阀3上用来控制脉动阀3阀门周期性的开启和关闭。冷却柴油机的冷却水经过柴油机缸套1沿管道流出后由离心水泵2进口处吸入，并继续经管道流过脉动阀3产生液压冲击以形成脉动流，产生的脉动流通过管道流至缸套水冷却器5由海水冷却。冷却后的冷却水又沿着管道进入柴油机缸套1中，形成封闭的脉动循环。所述隔膜增压器7通过管道与锥形管9、第二液压蓄能器10相连通组成增压循环系统，其中隔膜增压器7的进口处连接在脉动阀3进口处的管道上，隔膜增压器7的第一出口a连接第二单向阀11，第二出口b连接第一单向阀8。锥形管9连接在第一单向阀8后的管道上，在锥形管9后的管道上连接第二液压蓄能器10用于补偿增压循环系统中的压力波动。

如图2所示，为本发明的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置中的隔膜增压器的结构构造剖视图。所述隔膜增压器7由具有进口c的下腔体7-1和具有第一出口a、第二出口b的上腔体7-5组成，上腔体7-5和下腔体7-1等高设计，其中上腔体7-5为无底面的圆柱形壳体，顶部圆形表面设有两个对称的第一出口a和第二出口b，底部设有法兰以便通过螺钉与下腔体7-1连接。下腔体7-1为无顶面的倒圆台形壳体，其顶面直径大于底面直径，顶面直径与上腔体7-5直径相同，顶部处也设有与上腔体7-5对称的法兰，底面圆心处设有一个流体进口c。在隔膜增压器7的内部有一直径大于上腔体7-5底面直径的圆形弹性膜片7-2通过螺钉固定在下腔体7-1和上腔体7-5之间将腔体内部隔开，并在法兰处做好密封工作防止流体泄露。上腔体7-5顶部圆心处安插入一个空心螺栓7-6并将其与上腔体7-5固定，实心螺栓7-4通过底部的支撑垫圈用螺钉固定在弹性膜片7-2的圆心处，并且在另一侧套进空心螺栓7-6中。调节弹簧7-3套在实心螺栓7-4上，顶部由空心螺栓7-6端面支撑，底部由与弹性膜片7-2相连接的垫圈支撑。在流体脉动源头处发生水锤时，其正波将确保弹性膜片7-2向上运动，克服了弹性膜片7-2的刚性。在水锤的正波将标志改变为相反的时刻，弹性膜片7-2将在调节弹簧7-3的弹力的作用下向下移动。因此，新注入的部分流体将通过隔膜增压器7第一出口a进入隔膜增压器7的上腔体7-5。之后，隔膜增压器7的工作过程将完全按照上述顺序重复。

在脉动阀3关闭的瞬间，管道中存在急剧的压力跳跃，流体由此形成指向与流动方向相反的脉冲。冷却水以高速导向隔膜增压器7的弹性膜片7-2。在水锤作用下形成液压冲击的流体在压力下流向隔膜增压器7的入口c，进入隔膜增压器7的下腔体7-1使弹性膜片7-2变形。弹性膜片7-2变形后将隔膜增压器7上腔体7-5的液体推过第一单向阀8，流体经第一单向阀8流向锥形管9，由于流体在经过锥形管9后速度增大导致静压减小，连接在锥形管9后的第二液压蓄能器10会补偿液体的压力波动。速度增加后的流体继续沿管道流向第二单向阀11，通过第二单向阀11后流回隔膜增压器7并冲击弹性膜片7-2，使弹性膜片7-2以更高的压力返回初始位置，完成增压循环。此时脉动循环系统中的压力因弹性膜片7-2的作用而增加，因此脉动流体的速度因压力上升而增加，速度增加后换热效率也会随之提高。

本发明的船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置的换热机理为：脉动流能够起到强化换热的作用，根据场协同原理可知流体温度场和速度场的协同关系越好，系统的强化传热效果就越好，脉动流能够有效减少对流换热中温度边界层和速度边界层的夹角从而降低对流换热中的热阻并提高换热效率，在脉动流强化换热中，脉动频率是研究脉动流强化换热特性的主要影响参数。对于管道内脉动流体而言，脉动频率决定了脉动速度和脉动压力。脉动速度又直接影响了轴向和径向速度梯度变化，尤其是近壁面处的径向速度梯度变化和回流快慢。因此当原有脉动换热系统频率确定时，利用隔膜增压器7可以增加系统中的脉动压力达到比原脉动换热系统更高的换热效率。

本发明的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置的工作方法为：当离心水泵2运行时，冷却水在柴油机缸套1和缸套水冷却器5之间循环流动换热，并且本发明中所使用的工作参数为：流体速度0.5m/s，流量2t/h以及吸入压力60kPa。在冷却水循环中通过脉动阀3的开闭使流体产生脉动。电动机4以1.5Hz/s的频率旋转，通过曲柄机构驱动脉动阀3的阀门。脉动阀3在打开时液体可以自由地通过，进一步沿着回路通过缸套水冷却器5在脉动循环系统中循环流动。脉动阀3关闭时，管道中运动的流体具有的动能在停止时会转化为拉伸管壁和压缩液体的压力势能。其中初始时刻的压力波动是最危险的，此时在脉动阀3附近管道中的压力将急剧增加，管道将在弹性变形的极限范围内膨胀，并且压缩流体产生的振荡波将从脉动阀3向第一液压蓄能器6和隔膜增压器7传播。当冲击波到达隔膜增压器7的入口c时，其压力大于隔膜增压器7的第二出口b和管道中连接的第一液压蓄能器6中的压力。因此流体产生的冲击使隔膜增压器7内部的弹性膜片7-2发生形变从而改变隔膜增压器7上腔体7-5的体积使流体由第二出口b经第一单向阀8排出至增压循环系统的管道中，流体由第一单向阀8流出后沿管道流向锥形管9，锥形管9是文丘里管的一种，流体经过锥形管9时的阻力小，压差大，稳定性好，有平滑的压差特性。因此流体在锥形管9的作用下部分压力势能转变为动能，使流体在管道中的速度增加。当速度增加后的流体经过第二单向阀11流向隔膜增压器7时，腔体中的弹性膜片7-2受到流体冲击的作用力返回初始位置。此时，与原脉动循环系统中脉动阀3产生的冲击压力相比，弹性膜片7-2返回时产生的压力将高于脉动循环系统中原冲击压力。对于脉动循环系统来说隔膜增压器7弹性膜片7-2压力作用于脉动流体后使脉动循环系统的压力增加，并在脉动阀3开启后，系统的压力势能转变为脉动流的动能使脉动速度增加从而提高脉动循环系统的换热效率。

本发明的船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置中，

所述柴油机缸套1为SD1125系列直喷单缸柴油机缸套。本发明能适用各种中小功率船用柴油机冷却系统，对于大型船舶主机冷却系统需对装置加以改进。根据换热系统工作要求选择水泵时应将水泵最大流量设为管道流量的1.1倍，额定扬程为装置所需扬程的1.1倍，进口介质的最高温度需高于冷却水的最高温度，水泵类型优先选择离心水泵。

所述离心水泵2为德国制造的WILO威乐TOP-S40/10离心水泵，最大功率为680W，最高输送流体温度为130℃。

所述脉动阀3的选择原则上应以具有较长使用寿命作为标准，本发明选用的脉动阀为电磁阀或凸轮轴阀，本发明选用的是重庆川仪调节阀有限公司生产的VFR凸轮轴阀。

所述缸套水冷却器5作用为冷却水与外部海水换热，因此选用管壳式冷却器，由于海水具有一定腐蚀性，因此换热器管路需使用耐腐蚀材料且海水走管程流动，淡水走壳程流动，本发明中选用缸套水冷却器为管壳式换热器，型号为BES500-1.6-43-4.525-2I，外壳直径500mm，管长为4.5m，正方形排列，管数为124根。

所述第一、第二液压蓄能器6、10选用密封性好，反应灵敏，安装局限性小的气体式液压蓄能器，液压蓄能器中预定压力应为换热管道系统中的初始压力。气体式液压蓄能器中分为气液直接接触式、活塞式、隔膜式、气囊式液压蓄能器，本发明中第一、第二液压蓄能器6、10均选用气体式液压蓄能器中的隔膜式液压蓄能器。

所述锥形管9为具有文丘里效应的一种变径管，变径管有同心变径管和偏心变径管，本发明中采用不锈钢的同心变径管。

所述第一、第二单向阀8、11采用直通式CV型或CH型单向阀，本发明中第一、第二单向阀8、11均采用直通式CV型单向阀。

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 (10)

1.一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：包括脉动循环系统和增压循环系统，所述脉动循环系统由柴油机缸套(1)、离心水泵(2)、脉动阀(3)、电动机(4)和缸套水冷却器(5)组成，其中所述柴油机缸套(1)中的冷却水出口通过管道依次与离心水泵(2)，脉动阀(3)，缸套水冷却器(5)和柴油机缸套(1)的冷却水进口相连接形成封闭的脉动循环系统；所述脉动阀(3)上还安置有用来控制脉动阀(3)周期性的开启和关闭的电动机(4)；所述增压循环系统由隔膜增压器(7)，锥形管(9)以及第一单向阀(8)和第二单向阀(11)组成，其中所述的隔膜增压器(7)的进口c通过管道连接在所述脉动阀(3)进口处的管道上，隔膜增压器(7)的第二出口b通过管道依次连接第一单向阀(8)，锥形管(9)和第二单向阀(11)，再由第二单向阀(11)连接到隔膜增压器(7)的第一出口a形成封闭的增压循环系统。

2.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：在所述的离心水泵(2)和脉动阀(3)之间的管道上还连接有用以补偿脉动循环系统的压力波动的第一液压蓄能器(6)；在所述的锥形管(9)和第二单向阀(11)之间的管道上还连接有用以补偿增压循环系统中的压力波动的第二液压蓄能器(10)。

3.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述的锥形管(9)为同心锥形管和偏心锥形管中的任一种。

4.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述的脉动阀(3)为电磁阀或凸轮轴阀。

5.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述的第一单向阀(8)和第二单向阀(11)均为直通式CV型或CH型单向阀。

6.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述的第一液压蓄能器(6)和第二液压蓄能器(10)均为气体隔膜式液压蓄能器。

7.根据权利要求1所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述的隔膜增压器(7)包括设有进口c的下腔体(7-1)和设有第一出口a和第二出口b的上腔体(7-5)，其中所述上腔体(7-5)中心设置有一伸进腔内的空心螺栓(7-6)，所述上腔体(7-5)和下腔体(7-1)之间设置有盘形弹性膜片(7-2)，所述弹性膜片(7-2)中心设置有一穿入空心螺栓(7-6)的实心螺栓(7-4)，所述实心螺栓(7-4)上套装有一端顶住弹性膜片(7-2)，另一端顶住空心螺栓(7-6)的调节弹簧(7-3)。

8.根据权利要求7所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述隔膜增压器(7)上腔体(7-5)和下腔体(7-1)的容积相同或不同；形状为六面体或圆柱体或圆台体；腔体材料为不锈钢或碳钢。

9.根据权利要求7所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述弹性膜片(7-2)的材料为橡胶膜和丁基胶膜中的任一种。

10.根据权利要求7所述的一种船舶柴油机缸套与冷却水换热增强装置，其特征在于：所述调节弹簧(7-3)为合金有色热卷弹簧或不锈钢有色热卷弹簧，弹簧的最大弹力需小于流体脉动的冲击压力。

Images