CN112357036A - 船舶舷外共形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，提供一种船舶舷外共形冷却器及船舶冷却系统。所述船舶舷外共形冷却器设有冷却水入口及冷却水出口，其包括换热管束，所述换热管束分布于舷体的内壳与外壳之间，所述换热管束中的换热管的外径从靠近冷却水入口的一端向靠近冷却水出口的一端逐渐减小。本发明实施例提供的船舶舷外共形冷却器及舷外共形冷却系统，通过将换热管束设置在舷体的内壳和外壳之间，并使换热管的外径从靠近冷却水入口的一端向靠近冷却水出口的一端逐渐减小，一定程度上均衡了壳程流道内流经换热管束各管段的冷却水流量，提高了冷却器的换热能力。

Description

船舶舷外共形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，尤其涉及一种船舶舷外共形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，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，通常借助加热海水产生的自然循环实现热量导出，但这种舷外冷却器体积较大。进而有产品借助舷外水流与船体的相对速度产生强迫循环带走热量，但是由于舷外冷却器的壳程流道内的冷却水流量分布不均，导致换热能力不佳。

发明内容

本发明实施例提供一种船舶舷外共形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的壳程流道内冷却水流量分布不均，导致换热能力不佳的问题。

本发明实施例提供一种船舶舷外共形冷却器，设有冷却水入口及冷却水出口，包括换热管束，所述换热管束分布于舷体的内壳与外壳之间，所述换热管束中的换热管的外径从靠近所述冷却水入口的一端向靠近所述冷却水出口的一端逐渐减小。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，所述换热管从所述冷却水入口的中心轴线向所述冷却水出口的一侧倾斜。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，所述换热管的壁厚均匀。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，所述换热管束的排列横截面上留出冷却水的引流通道，所述引流通道将所述换热管束分成多个管束区域。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，所述引流通道包括干支通道和多个分支通道，所述干支通道连通冷却水进口水室和冷却水出口水室，每一所述分支通道连通所述干支通道和所述分支通道两侧的管束区域。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，还包括壳体，所述换热管束安装于所述壳体内，所述壳体包括相对设置的内侧壳壁和外侧壳壁，所述内侧壳壁与所述内壳共形，所述外侧壳壁与所述外壳共形。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，所述换热管束垂直于其长度方向固定有冷却水分程隔板，形成多个并列的冷却水流道。

根据本发明一个实施例的船舶舷外共形冷却器，还包括与所述换热管束两端连通的封头，所述封头内设有待冷却流体分程隔板，所述待冷却流体分程隔板将所述换热管束分为多组以形成多管程流道。

本发明实施例还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船舶舷外共形冷却器，所述用户换热器的用户冷却介质出入口分别与所述换热管的两端相连通，所述循环泵安装于所述用户换热器和所述船舶舷外共形冷却器的连通管路上。

根据本发明一个实施例的船舶冷却系统，还包括自流发生器，所述自流发生器与所述船舶舷外共形冷却器的冷却水入口连通。

本发明实施例提供的船舶舷外共形冷却器及船舶冷却系统，通过将换热管束设置在舷体的内壳和外壳之间，有效利用船体舷外空间，减小了冷却系统占据的舱内空间；使换热管的外径从靠近冷却水入口的一端向靠近冷却水出口的一端逐渐减小，使靠近冷却水入口的冷却水流通面积小于靠近冷却水出口的冷却水流通面积，从而一定程度上均衡了壳程流道内流经换热管束各管段的冷却水流量，提高了冷却器的换热能力。

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是本发明实施例船舶舷外共形冷却器的结构示意图；

图2是本发明实施例船舶舷外共形冷却器的右视图；

图3是本发明实施例船舶舷外共形冷却器的换热管缩径比φ₁/φ₂对流量比q_max/q_min的影响规律曲线；

图4是本发明实施例中换热管的结构示意图；

图5是本发明实施例中换热管倾角α对综合传热系数EEC的影响规律曲线；

图6是本发明实施例船舶冷却系统的结构示意图。

附图标记：

1、换热管；2、壳体；21、内侧壳壁；22、外侧壳壁；23、冷却水入口；24、冷却水出口；25、冷却水进口水室；26、冷却水出口水室；27、冷却水流道；3、冷却水分程隔板；41、干支通道；42、分支通道；5、封头；51、待冷却流体分程隔板；52、待冷却流体入口；53、已冷却流体出口；100、船舶舷外共形冷却器；200、用户换热器；300、循环泵；400、自流发生器；500、冷却水排放装置。

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。

下面结合图1-图5描述本发明实施例提供的船舶舷外共形冷却器。

如图1所示为本发明实施例船舶舷外共形冷却器的结构示意图，如图2所示为本发明实施例船舶舷外共形冷却器的右视图。该船舶舷外共形冷却器设有冷却水入口23及冷却水出口24，其包括换热管束，换热管束分布于舷体的内壳与外壳之间，以有效利用船体舷外空间，减小冷却系统占据的舱内空间，节省舱内的宝贵空间。其中，该船舶舷外共形冷却器的壳体2包括相对设置的内侧壳壁21和外侧壳壁22，内侧壳壁21与舷体的内壳共形，外侧壳壁22与舷体的外壳共形。

其中，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22，将舷体的内壳作为该船舶舷外共形冷却器的内侧壳壁21，即内侧壳壁21和外侧壳壁22分别与舷体的内壳和外壳共用，使换热管1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；壳体2的内侧壳壁21和外侧壳壁22也可独立于舷体的内壳和外壳之间，且换热管1排满由内侧壳壁21和外侧壳壁22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。

冷却水入口23和冷却水出口24设于壳体2上，冷却水入口23与换热管束之间的空间为冷却水进口水室25，冷却水出口24与换热管束之间的空间为冷却水出口水室26。冷却水从冷却水入口23进入冷却水进口水室25，然后流经换热管束与换热管1进行热交换，最后到达冷却水出口水室26并从冷却水出口24排出。

由于从冷却水入口23进入冷却水进口水室25的水压呈现逐渐递减的趋势，导致冷却水进口水室25中靠近冷却水入口23的冷却水以较快的速度流经换热管束，而远离冷却水入口23的冷却水以较慢的速度流经换热管束，进而导致冷却水在壳程流道内不能够与换热管束进行均匀换热。针对这一问题，本发明实施例中，换热管束中的换热管1的外径从靠近冷却水入口23的一端向靠近冷却水出口24的一端逐渐减小。使得在各换热管1中心线平行的情况下，靠近冷却水入口23的冷却水流通面积小于靠近冷却水出口24的冷却水流通面积，从而一定程度上均衡了壳程流道内流经换热管束各管段的冷却水流量，提高了冷却器的换热能力。进一步的，换热管1的壁厚均匀，以利于通过换热管1实现均匀导热。

该船舶舷外共形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，该船舶舷外共形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。

本发明实施例提供的船舶舷外共形冷却器，通过将换热管束设置在舷体的内壳和外壳之间，有效利用船体舷外空间，减小了冷却系统占据的舱内空间，节省舱内的宝贵空间；使换热管1的外径从靠近冷却水入口23的一端向靠近冷却水出口24的一端逐渐减小，使靠近冷却水入口23的冷却水流通面积小于靠近冷却水出口24的冷却水流通面积，从而一定程度上均衡了壳程流道内流经换热管束各管段的冷却水流量，提高了冷却器的换热能力。

为了进一步提高换热管束各管段的冷却水流量的均匀性，本发明实施例中，换热管束垂直于其长度方向固定有冷却水分程隔板3，形成多个并列的冷却水流道27。冷却水分程隔板3起到分流作用，避免壳程流道内产生换热死区，提高了换热能力。其中，冷却水分程隔板3与各换热管1固定连接，还可以起到支撑换热管的作用，有效抑制流激振动，如涡脱激励和湍流激振等诱导产生的管束结构振动，还可以减小风浪等冲击下管路震颤幅度，避免管束结构周期疲劳及相互之间碰撞产生的应力损伤，提高了冷却器的使用寿命和长期使用的可靠性。其中，可沿换热管长度方向设置多个冷却水分程隔板3，具体的数量和间距根据换热管1的长度及实际工况确定。

其中，靠近冷却水入口23的一端的外径φ₁与靠近冷却水出口24的一端的外径φ₂的比值按照各冷却水隔板间流道流量均匀原则进行设计。具体的，在船舶一定运行工况下，即进入该船舶舷外共形冷却器内的冷却水流量和压力一定的情况下，在一定缩径比φ₁/φ₂的范围内，对各冷却水流道27的流量进行仿真计算，绘制不同缩径比φ₁/φ₂时各冷却水流道27的流量最大值和最小值之比q_max/q_min的规律曲线，如图3所示为本发明实施例船舶舷外共形冷却器的换热管缩径比φ₁/φ₂对流量比q_max/q_min的影响规律曲线。曲线极小值点对应的横坐标即为最优管径比(φ1/φ2)_opt。例如，(φ1/φ2)_opt＝2.1时，在某一工况下计算得到，q_max/q_min接近1.2。

在借助舷外水流与船体的相对速度产生强迫换热产生的强迫循环带走热量时，由于换热管束各管段的流阻不均衡，影响了传热效率。因此，本发明一个实施例中，将换热管1从所述冷却水入口的中心轴线向向冷却水出口24的一侧倾斜，以均衡换热管束的各管段对冷却水的流阻。如图4所示为本发明实施例中换热管的结构示意图。例如，该船舶舷外共形冷却器设置于船舶的侧部舷体，如图1和图2所示，换热管束整体呈水平设置，冷却水入口23设置在靠近换热管束的一端的壳体2下部，冷却水出口24设置在靠近换热管束的另一端的壳体2上部，冷却水入口23的中心轴线与船舶的中心轴线平行。这种情况下，换热管1靠近冷却水出口24的一端向上倾斜，使换热管1与水平面呈一定倾角α。

其中，传热系数EEC＝(Q/Q₀)/(ΔP/ΔP₀)，Q为换热管1存在倾角α条件下舷外共形冷却器换热量，Q₀为换热管1完全水平(α＝0)条件下舷外共形冷却器换热量；ΔP为换热管1存在倾角α条件下舷外共形冷却器海水流阻，ΔP₀为换热管1完全水平(α＝0)条件下舷外共形冷却器海水流阻。

倾角α根据综合传热系数EEC进行优选。具体的，首先，在船舶一定运行工况下，仿真计算换热管1完全水平(α＝0)条件下舷外共形冷却器换热量Q₀和冷却水流阻ΔP₀；然后，在同一运行工况和在一定倾角α范围内，仿真计算舷外共形冷却器的换热量Q和冷却水流阻ΔP，得到对应各倾角α时的EEC值；最后，绘制不同倾角α条件下EEC曲线，如图5所示为本发明实施例中换热管倾角α对综合传热系数EEC的影响规律曲线。曲线极大值点对应的横坐标即为最优倾角α_opt。例如，管径比(φ₁/φ₂)_opt＝2.1时，在某一工况下计算得到，该船舶舷外共形冷却器的最优倾角α_opt＝6.5°，此时具有最大传热系数EEC_max＝2.4。

为了进一步提高换热管束的换热能力，本发明实施例中，在换热管束的排列横截面上留出冷却水的引流通道，该引流通道将换热管束分成多个管束区域。引流通道两侧的换热管的管间距大于其他换热管的管间距，使冷却水在引流通道内具有较小的流阻，使冷却水可通过该引流通道快速向各个区域管束流动，有助于提高冷却水与个区域管束的换热均匀性。

其中，该引流通道可参照毛细血管或树形支干或树叶叶脉的形状排布。具体的，如图2所示，引流通道包括干支通道41和多个分支通道42，干支通道41连通冷却水进口水室25和冷却水出口水室26，每一分支通道42连通干支通道41和分支通道42两侧的管束区域。温度较低的冷却水在较小流阻下先通过干支通道41快速达到各分支通道42的入口，并分流至各个分支通道42，然后经分支通道42对各区域管束的换热管间隙分流，实现了冷却水在截面上的均匀分布流动，一定程度上均衡了冷却水与各换热管1的温差，充分发挥各个管束区域的换热管冷却能力，从而提高了冷却器的换热能力。

进一步的，如图1所示，本发明实施例提供的船舶舷外共形冷却器还包括与换热管1两端连通的封头5，封头5内设有待冷却流体分程隔板51，待冷却流体分程隔板51将多个换热管1分为多组形成多管程流道。该多管程流道为首尾相连的多个管程流道组成，如图1中两端的封头5内均设置了一个待冷却流体分程隔板51，两个封头5的待冷却流体分程隔板51错位设置，从而将整体换热管束分为三组形成三管程流道，待冷却流体流经第一个管程流道后经两次折返到达第三个管程流道，以增大换热管1内的流动速度，提高换热能力。其中，封头5上设有待冷却流体入口52和已冷却流体出口53，待冷却流体入口52与第一个管程入口连通，已冷却流体出口53与最后一个管程出口连通。

本发明实施例通过设置渐缩的换热管1，并将换热管1的一端相冷却水出口的方向倾斜，再结合换热管束横截面上设置引流通道，以最大程度的发挥换热管束的冷却能力，从而实现了增大舷外冷却器热量导出能力的目的，在同等冷却量需求下，可减小冷却器的体积，从而形成一种结构紧凑、高效节能的船舶舷外冷却器。

本发明实施例还提供一种船舶冷却系统，如图6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船舶舷外共形冷却器100，用户换热器200的用户冷却介质进出口分别与换热管1的两端相连通，循环泵300安装于用户换热器200和船舶舷外共形冷却器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的驱动下进入船舶舷外共形冷却器100，通过待冷却流体入口52进入封头，当封头5内设有待冷却流体分程隔板51时，淡水在待冷却流体分程隔板51和封头5的围堵下进入各换热管1，经多个管程流道折返后通过已冷却流体出口53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船舶舷外共形冷却器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，通过将换热管束设置在舷体的内壳和外壳之间，并使换热管1的外径从靠近冷却水入口23的一端向靠近冷却水出口24的一端逐渐减小，使靠近冷却水入口23的冷却水流通面积小于靠近冷却水出口24的冷却水流通面积，从而一定程度上均衡了壳程流道内流经换热管束各管段的冷却水流量，提高了冷却器的换热能力，进而提高了该船舶冷却系统的换热效率。

进一步的，本发明实施例提供的船舶冷却系统还包括自流发生器400，自流发生器400与船舶舷外共形冷却器100的冷却水入口23连通，形成自流式冷却系统。其中，还包括冷却水排放装置500，自流发生器400和冷却水排放装置500均可设置于舷体，通过管路分别与船舶舷外共形冷却器100的冷却水入口23和冷却水出口24连通。当外侧壳壁22与舷体的外壳共用时，自流发生器400和冷却水排放装置500均可直接设置在外侧壳壁22。在上述闭式循环进行的同时，自流发生器400利用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进入冷却水入口23，在冷却水进口水室25分配进入各个由冷却水分程隔板3分隔形成的多个冷却水流道27，而后汇集到冷却水出口水室26，经冷却水出口24和冷却水排放装置500排放到外部环境。由于船舶舷外共形冷却器100的存在，提高了船外冷却水自流供给能力，降低了对冷却水的泵的功率需求。

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)

1.一种船舶舷外共形冷却器，设有冷却水入口及冷却水出口，其特征在于，包括换热管束，所述换热管束分布于舷体的内壳与外壳之间，所述换热管束中的换热管的外径从靠近所述冷却水入口的一端向靠近所述冷却水出口的一端逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，所述换热管从所述冷却水入口的中心轴线向所述冷却水出口的一侧倾斜。

3.根据权利要求1所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，所述换热管的壁厚均匀。

4.根据权利要求1所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，所述换热管束的排列横截面上留出冷却水的引流通道，所述引流通道将所述换热管束分成多个管束区域。

5.根据权利要求4所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，所述引流通道包括干支通道和多个分支通道，所述干支通道连通冷却水进口水室和冷却水出口水室，每一所述分支通道连通所述干支通道和所述分支通道两侧的管束区域。

6.根据权利要求1～5任一项所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，还包括壳体，所述换热管束安装于所述壳体内，所述壳体包括相对设置的内侧壳壁和外侧壳壁，所述内侧壳壁与所述内壳共形，所述外侧壳壁与所述外壳共形。

7.根据权利要求1～5任一项所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，所述换热管束垂直于其长度方向固定有冷却水分程隔板，形成多个并列的冷却水流道。

8.根据权利要求1～5任一项所述的船舶舷外共形冷却器，其特征在于，还包括与所述换热管束两端连通的封头，所述封头内设有待冷却流体分程隔板，所述待冷却流体分程隔板将所述换热管束分为多组以形成多管程流道。

9.一种船舶冷却系统，其特征在于，包括循环泵、用户换热器和如权利要求1～8任一项所述的船舶舷外共形冷却器，所述用户换热器的用户冷却介质出入口分别与所述换热管的两端相连通，所述循环泵安装于所述用户换热器和所述船舶舷外共形冷却器的连通管路上。

10.根据权利要求9所述的船舶冷却系统，其特征在于，还包括自流发生器，所述自流发生器与所述船舶舷外共形冷却器的冷却水入口连通。

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