CN112339966B - 自流式舷外冷却器及船舶冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及船舶冷却器技术领域，提供一种自流式舷外冷却器及船舶冷却系统。该自流式舷外冷却器设有待冷却流体入口和已冷却流体出口，其包括分别沿两个方向布设的第一换热管束与第二换热管束，第一换热管束和第二换热管束的两端分别连接有封头，第一换热管束两端的封头分别与待冷却流体入口和已冷却流体出口相连通，第二换热管束两端的封头分别与第一换热管束一端的封头和已冷却流体出口相连通，第二换热管束的封头与第一换热管束的封头的连通管路上设置有第一截止阀。本发明实施例提供的自流式舷外冷却器及船舶冷却系统，通过调节换热管束与冷却水的换热面积，在不改变阀门流量或水泵转速的情况下，满足了不同工况下的热负荷需求。

Description

自流式舷外冷却器及船舶冷却系统

技术领域

本发明涉及船舶冷却器技术领域，尤其涉及一种自流式舷外冷却器及船舶冷却系统。

背景技术

传统船舶冷却系统中的冷却器布置在舱内，为了满足冷却量需求及换热效率，集中冷却器的体积通常十分庞大，占用大量舱内有效空间，且海水管路长时间运行存在泄露、阻塞等问题；用于输送海水的海水泵不仅需要消耗大量能源，还会产生很大的噪音。针对上述缺陷，部分船舶开始采用舷外冷却技术，将集中冷却器放置在舷外，即舷体内外壳之间，并将冷却器直接浸没在冷却水中对中间淡水回路的冷却介质进行冷却，降温后的冷却介质在中间淡水回路冷却水泵驱动下冷却各船用用户。

在传统舷外冷却系统中，为了满足船上各用户在不同工况下的冷却需求，通常需要根据用户冷却负荷的变化特点，通过阀门节流或水泵变转速调节中间淡水回路的冷却介质的流量供应，容易因泵偏离设计点或者阀门节流而产生较大的能量损失和振动噪声。

发明内容

本发明实施例提供一种自流式舷外冷却器及船舶冷却系统，用以解决现有技术中的舷外冷却器通过阀门节流或水泵变转速调节中间淡水回路的冷却介质流量以满足不同的冷却需求，导致较大的能量损失和振动噪声的问题。

本发明实施例提供一种自流式舷外冷却器，设有待冷却流体入口和已冷却流体出口，包括分别沿两个方向布设的第一换热管束与第二换热管束，所述第一换热管束和所述第二换热管束的两端分别连接有封头，所述第一换热管束的两端的封头分别与所述待冷却流体入口和已冷却流体出口相连通，所述第二换热管束的两端的封头分别与所述第一换热管束的一端的封头和所述已冷却流体出口相连通，所述第二换热管束的封头与所述第一换热管束的封头的连通管路上设置有第一截止阀。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，所述第一换热管束对应的两个所述封头和/或所述第二换热管束对应的两个所述封头内分别设有分程隔板，所述分程隔板将所述封头分为多个腔室以形成多管程流道。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，位于同一封头内的一管程流道出口连接的所述腔室与相邻的下一管程流道入口连接的所述腔室可连通或断开，所述第一换热管束的最后一个管程流道出口连接的所述腔室与所述第二换热管束的第一个管程流道入口连接的所述腔室的连通管路上设置有所述第一截止阀，每一管程流道出口连接的所述腔室均与所述已冷却流体出口相连通。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，每一管程流道出口连接的所述腔室与所述已冷却流体出口的连通管路上设置有截止阀。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，所述第一换热管束和所述第二换热管束均呈矩阵式排列，所述第一换热管束的相邻两排换热管之间设置一排所述第二换热管束的换热管。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，所述第一换热管束和/或所述第二换热管束的换热管为弧形管。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，所述第一换热管束在垂直于其长度方向上的管间距等于所述第二换热管束的换热管的外径。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，所述第一换热管束和所述第二换热管束布设于舷体的内壳和外壳之间。

根据本发明一个自流式舷外冷却器，还包括壳体，所述壳体的外侧壳壁向外凸设有自流入口引流装置，所述自流入口引流装置的开口方向与船舶航行方向相同，其横截面从自流入口沿船舶航行的相反方向渐缩。

本发明实施例提供一种船舶冷却系统，包括循环泵、用户换热器和上述任一种所述的自流式舷外冷却器，所述用户换热器的用户冷却介质出入口分别与所述待冷却流体入口和所述已冷却流体出口相连通，所述循环泵安装于所述用户换热器和所述自流式舷外冷却器的连通管路上。

本发明实施例提供的自流式舷外冷却器及船舶冷却系统，通过设置两个方向的换热管束，并在第二换热管束的封头与第一换热管束的封头的连通管路上设置有第一截止阀，通过调节第一截止阀来调节换热管束与冷却水的换热面积，在不改变阀门流量或水泵转速的情况下，满足不同工况下的热负荷需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例自流式舷外冷却器的结构示意图；

图2是本发明实施例自流式舷外冷却器的侧视图；

图3是图2中换热管束的A部局部放大图；

图4是本发明实施例自流式舷外冷却器的外侧壳壁的结构示意图；

图5是本发明实施例船舶冷却系统的结构示意图。

附图标记：

11、第一换热管束；12、第二换热管束；2、封头；21、分程隔板；31、待冷却流体入口；32、已冷却流体出口；41、第一截止阀；42、第二截止阀；43、第三截止阀；44、第四截止阀；45、第五截止阀；46、第六截止阀；47、第七截止阀；51、内侧壳壁；52、外侧壳壁；521、自流入口引流装置；522、自流排放口装置；100、自流式舷外冷却器；200、用户换热器；300、循环泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”……“第七”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图4描述本发明实施例提供的自流式舷外冷却器。

如图1所示为本发明实施例自流式舷外冷却器的结构示意图，如图2所示为本发明实施例自流式舷外冷却器的侧视图。该自流式舷外冷却器设有待冷却流体入口31和已冷却流体出口32，其包括分别沿两个方向布设的第一换热管束11与第二换热管束12，例如，如图1和图2所示，第一换热管束11呈上下方向设置，第二换热管束12呈水平方向设置。第一换热管束11和第二换热管束12的两端分别连接有封头2。第一换热管束11的两端的封头2分别与待冷却流体入口31和已冷却流体出口32相连通，第二换热管束12的两端的封头2分别与第一换热管束11的一端的封头2和已冷却流体出口32相连通，第二换热管束12的封头2与第一换热管束11的封头2的连通管路上设置有第一截止阀41。

该自流式舷外冷却器工作时，待冷却流体从待冷却流体入口31进入第一换热管束11的换热管，若第一截止阀41处于关闭状态，由第一换热管束11冷却后的流体从已冷却流体出口32排出冷却器；若第一截止阀41处于打开状态，由第一换热管束11冷却后的流体可进入第二换热管束12，由第二换热管束12对流体继续进行冷却，再次冷却后的流体再从已冷却流体出口32排出冷却器。与此同时，冷却水从该自流式舷外冷却器的冷却水入口进入第一换热管束11和第二换热管束12之间的间隙与第一换热管束11进行热交换，或者与第一换热管束11和第二换热管束12进行热交换。

本发明实施例提供的自流式舷外冷却器，通过设置两个方向的换热管束，并在第二换热管束的封头与第一换热管束的封头的连通管路上设置有第一截止阀，通过调节第一截止阀来调节换热管束与冷却水的换热面积，在不改变阀门流量或水泵转速的情况下，满足不同工况下的热负荷需求。

该自流式舷外冷却器作为船舶集中冷却器时，管程流道内流通的待冷却流体为用户冷却介质如淡水，壳程流道内流通海水。当然，该自流式舷外冷却器也可直接作为用户换热器使用，待冷却流体则为用户热源流体如汽轮机的乏汽等。

其中，在第一换热管束11对应的两个封头2和/或第二换热管束12对应的两个封头2内分别设有分程隔板21，分程隔板21将封头2分为多个腔室以形成多管程流道。具体的，相对的两个封头2的分程隔板21错位设置时，一管程流道出口与相邻的下一管程流道入口连接同一腔室，形成多个首尾相连的管程流道，可增大换热管内的流动速度，提高换热能力。相对的两个封头2的分程隔板21相对设置时，每一管程流道的出口和入口与分隔出来的腔室一一对应，形成多个并行且独立的管程流道。例如，如图1所示，第一换热管束11对应的两个封头2和第二换热管束12对应的两个封头2内分别对应设有一个分程隔板21，从而将第一换热管束11和第二换热管束12分别分成两组，形成了上下方向的两个管程流道和水平方向的两个管程流道，四个管程流道分别对应一个腔室。通过连通或断开两个相邻的管程流道，可实现增大或减小换热管束的换热面积。

当多管程流道为多个并行且独立的管程流道时，位于同一封头2内的一管程流道出口连接的腔室与相邻的下一管程流道入口连接的腔室之间可连通或断开，以实现相邻两个管程流道的可连通或断开，增加或减少管程流道，实现对换热管束换热面积的调节。具体的，位于同一封头2内的一管程流道出口连接的腔室与相邻的下一管程流道入口连接的腔室通过联管相连，连接两个腔室的联管上设有截止阀，通过截止阀连通或断开相邻的管程流道。

其中，第一换热管束11的最后一个管程流道出口连接的腔室与第二换热管束12的第一个管程流道入口连接的腔室的连通管路上设置有第一截止阀41，以实现第一换热管束11和第二换热管束12的连通和断开。每一管程流道均可作为待冷却流体的最后一个管程流道，因此，每一管程流道出口连接的腔室均与已冷却流体出口32相连通。

例如，如图1所示，第一换热管束11两端的封头内设有一个分程隔板，形成第一管程流道和第二管程流道。第二换热管束12两端的封头内设有一个分程隔板，形成第三管程流道和第四管程流道。第二管程流道出口连接的腔室与第三管程流道入口连接的腔室连通的管路上设置有第一截止阀41。第一管程流道出口连接的腔室与第二管程流道入口连接的腔室通过联管连通，并通过第二截止阀42控制其通断；第三管程流道出口连接的腔室与第四个管程流道入口连接的腔室通过联管连通，并通过第三截止阀43控制其通断。

进一步的，每一管程流道出口连接的腔室与已冷却流体出口的连通管路上设置有截止阀。例如，继续参见图1，第一管程流道、第二管程流道、第三管程流道和第四管程流道的出口连接的腔室与已冷却流体出口32分别通过联管相连，对应的联管上分别设置有第四截止阀44、第五截止阀45、第六截止阀46和第七截止阀47。其中，本发明实施例中所述的截止阀均可为电磁阀。当用户工况发生改变导致用户换热器热量发生变化时，可通过改变各截止阀的组合关系改变换热管的实际换热面积，具体如下。

在最小热负荷工况下，只需打开第四截止阀44，关闭其他截止阀，此时待冷却流体进入待冷却流体入口31后依次流经第一管程流道和第四截止阀44，最终从已冷却流体出口32排出冷却器，实际换热面积是第一管程流道的换热管。

用户换热器进入二级工况，可以通过打开第二截止阀42和第五截止阀45，同时关闭其他截止阀，此时待冷却流体进入待冷却流体入口31后依次流经第一管程流道、第二截止阀42、第二管程流道和第五截止阀45，最终从已冷却流体出口32排出冷却器，实际换热面积是第一换热管束11的全部换热管。

用户换热器进入三级工况，可以通过打开第二截止阀42、第一截止阀41和第六截止阀46，同时关闭其他截止阀，此时待冷却流体进入待冷却流体入口31后依次流经第一管程流道、第二截止阀42、第二管程流道、第一截止阀41、第三管程流道和第六截止阀46，最终从已冷却流体出口32排出冷却器，实际换热面积是第一换热管束11的全部换热管以及第三管程流道的换热管。

用户换热器进入四级工况，可以通过打开第二截止阀42、第一截止阀41、第三截止阀43和第七截止阀47，同时关闭其他截止阀，此时待冷却流体进入待冷却流体入口31后依次流经第一管程流道、第二截止阀42、第二管程流道、第一截止阀41、第三管程流道、第三截止阀43、第四管程流道和第七截止阀47，最终从已冷却流体出口32排出冷却器，实际换热面积是第一换热管束11和第二换热管束12的全部换热管。

本发明实施例提供的自流式舷外冷却器，通过改变实际换热面积，调节冷却器的冷却能力，从而实现在淡水泵转速不变的前提下满足不同热负荷工况的需求。可根据实际工况的波动幅度，设置合适数量的分程隔板21以形成合适数量的管程流道，以满足更多工况的需求。

在上述实施例的基础上，如图3所示为图2中换热管束的A部局部放大图。如图2和图3所示，第一换热管束11和第二换热管束12均呈矩阵式排列，第一换热管束11的相邻两排换热管之间设置一排第二换热管束12的换热管。其中，第一换热管束11和第二换热管束12的换热管的形状可以根据该自流式舷外冷却器的壳体的形状适应性调整。例如，第一换热管束11和/或第二换热管束12的换热管为弧形管。

进一步地，第一换热管束11在垂直于其长度方向上的管间距等于第二换热管束12的换热管的外径。从而使第一换热管束11和第二换热管束12交替间隔紧密接触，以在各换热管之间形成约束并相互支撑，防止管束在流体冲刷下产生过大幅度振动，避免共振疲劳损失引起的结构破损，提高换热管束长期使用的可靠性。为了保证壳程流道有足够的流通面积，第二换热管束12在第一换热管束11长度方向的管间距大于第二换热管束12的换热管的外径，例如，第二换热管束12沿第一换热管束11长度方向的管间距等于第二换热管束12的换热管外径的1.2～1.5倍。其中，第一换热管束11的换热管的外径与第二换热管束12的换热管的外径可以相同也可以不同。

进一步地，第一换热管束11和第二换热管束12均布设于舷体的内壳和外壳之间，有效利用船体舷外空间，以减小冷却系统占据的舱内空间，节省舱内的宝贵空间。该冷却器的壳体包括相对设置的内侧壳壁51和外侧壳壁52，内侧壳壁51与舷体的内壳共形，外侧壳壁52与舷体的外壳共形。

具体的，可以将舷体的外壳作为该船舶舷外共形冷却器的外侧壳壁52，将舷体的内壳作为该船舶舷外共形冷却器的内侧壳壁51，即内侧壳壁51和外侧壳壁52分别与舷体的内壳和外壳共用，使换热管排满由舷体内壳和外壳所围成的扇形空间，从而最大程度的利用舷体内外壳之间的空间；内侧壳壁51和外侧壳壁52也可独立于舷体的内壳和外壳之间，且内侧壳壁51与舷体的内壳平行，外侧壳壁52与舷体的外壳平行，换热管排满由内侧壳壁51和外侧壳壁52所围成的扇形空间。这样可方便冷却器整体装拆于舷体空间。

由于船舶的舷体一般呈弧形结构，冷却器的内侧壳壁51和外侧壳壁52相应的设置成为弧形结构，即使冷却器截面形成一个扇形区域。为了提高冷却器内部空间的利用率，本实施例中，第一换热管束11为竖直方向的弧形管，第二换热管束12为水平方向直管。在这一结构下，不仅可以使第一换热管束11和第二换热管束12交替排满舷侧的扇形空间，还可以使第一换热管束11与第二换热管束12的换热管相互构成对方的折流杆结构，可强化换热管的总传热系数。当然，第二换热管束12的形状可根据内侧壳壁51与外侧壳壁52之间形成的空间形状进行调整，如水平方向的弧形管。

进一步地，如图4所示为本发明实施例自流式舷外冷却器的外侧壳壁的结构示意图，如图2和图4所示，外侧壳壁52向外凸设有自流入口引流装置521，自流入口引流装置521的开口方向与船舶航行方向相同，其横截面从自流入口沿船舶航行的相反方向渐缩。该自流入口引流装置521可以与外侧壳壁52一体成型，其开口宽度与第二换热管束12的长度相同，其横截面呈弓形，并从其开口向相对侧逐渐减小。外侧壳壁52上还设有自流排放口装置522，该自流出口引流装置可以为直接构造于外侧壳壁52上的栅格。船舶航行过程中产生的迎面动压使作为冷却水的海水受迫从自流入口引流装置521进入冷却器内，形成强迫循环。

本发明实施例还提供一种船舶冷却系统，如图5所示为本发明实施例船舶冷却系统的结构示意图，该船舶冷却系统包括循环泵300、用户换热器200和上述任一实施例所述的自流式舷外冷却器100，用户换热器200的用户冷却介质进出口分别与待冷却流体入口31和已冷却流体出口32相连通，循环泵300安装于用户换热器200和自流式舷外冷却器100的连通管路上。

船舶用户产生的热量通过用户换热器200传递给循环用户冷却介质如淡水，淡水在循环泵300的驱动下进入自流式舷外冷却器100，通过待冷却流体入口31进入封头2，当封头2内设有分程隔板21时，淡水在分程隔板21和封头2的围堵下进入各换热管，经多个管程流道折返后通过已冷却流体出口32回流到用户换热器200，形成闭式循环。在该闭式循环过程中，淡水携带的热量在本发明实施例自流式舷外冷却器100内被冷却水携带排出，从而最终实现用户换热器200热量的间接导出。

本发明实施例提供的船舶冷却系统，通过在两个方向上布设换热管束，并在第二换热管束12的封头与第一换热管束11的封头的连通管路上设置截止阀，通过调节截止阀来调节换热管束与冷却水的换热面积。进一步在两个换热管束的两端的封头2内设置分程隔板21，形成多管程流道，通过控制不同管程流道间的通断，改变换热面积，使系统满足更多不同工况下的热负荷导出需求。将两个方向的换热管束相互交叠布置，使换热管之间相互支撑，避免了共振疲劳损失引起的结构破损，保证了换热管束长期使用的可靠性，从而提高了整个船舶冷却系统的可靠性。通过设置弧形换热管，有效利用了舷体内壳与外壳之间的空间，减小了船舶冷却系统所占用的舱内空间。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种自流式舷外冷却器，设有待冷却流体入口和已冷却流体出口，其特征在于，包括分别沿两个方向布设的第一换热管束与第二换热管束，所述第一换热管束和所述第二换热管束的两端分别连接有封头，所述第一换热管束的两端的封头分别与所述待冷却流体入口和已冷却流体出口相连通，所述第二换热管束的两端的封头分别与所述第一换热管束的一端的封头和所述已冷却流体出口相连通，所述第二换热管束的封头与所述第一换热管束的封头的连通管路上设置有第一截止阀。

2.根据权利要求1所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，所述第一换热管束对应的两个所述封头和/或所述第二换热管束对应的两个所述封头内分别设有分程隔板，所述分程隔板将所述封头分为多个腔室以形成多管程流道。

3.根据权利要求2所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，位于同一封头内的一管程流道出口连接的所述腔室与相邻的下一管程流道入口连接的所述腔室可连通或断开，所述第一换热管束的最后一个管程流道出口连接的所述腔室与所述第二换热管束的第一个管程流道入口连接的所述腔室的连通管路上设置有所述第一截止阀，每一管程流道出口连接的所述腔室均与所述已冷却流体出口相连通。

4.根据权利要求3所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，每一管程流道出口连接的所述腔室与所述已冷却流体出口的连通管路上设置有截止阀。

5.根据权利要求1～4任一项所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，所述第一换热管束和所述第二换热管束均呈矩阵式排列，所述第一换热管束的相邻两排换热管之间设置一排所述第二换热管束的换热管。

6.根据权利要求5所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，所述第一换热管束和/或所述第二换热管束的换热管为弧形管。

7.根据权利要求5所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，所述第一换热管束在垂直于其长度方向上的管间距等于所述第二换热管束的换热管的外径。

8.根据权利要求1～4任一项所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，所述第一换热管束和所述第二换热管束布设于舷体的内壳和外壳之间。

9.根据权利要求8所述的自流式舷外冷却器，其特征在于，还包括壳体，所述壳体的外侧壳壁向外凸设有自流入口引流装置，所述自流入口引流装置的开口方向与船舶航行方向相同，其横截面从自流入口沿船舶航行的相反方向渐缩。

10.一种船舶冷却系统，其特征在于，包括循环泵、用户换热器和如权利要求1～9任一项所述的自流式舷外冷却器，所述用户换热器的用户冷却介质出入口分别与所述待冷却流体入口和所述已冷却流体出口相连通，所述循环泵安装于所述用户换热器和所述自流式舷外冷却器的连通管路上。

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