CN112728982A - 用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海洋环境观测技术领域，特别涉及一种温差能吸收转换装置。一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置及系统，包括：热交换管，端盖，橡胶隔膜，不锈钢滤网，弹簧座，弹簧；当弹簧处于完全压缩状态时，通过注液口向上空腔内注入纯水至不锈钢滤网处，并在上空腔的剩余空间内注入液态正十六烷；注液完成后，对注液口进行密封；端盖通过底部的端直通接头接入海洋剖面探测设备内部液压系统，下空腔内通过液压油与液压系统进行能量传递。本装置真正有效的分隔正十六烷与液压油，不再出现破坏和泄露风险，具有提高装置可靠性的效果；橡胶隔膜内置弹簧，使凝固过程中始终保持压力。同时，本发明还公开了一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统。

Description

用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置及系统
技术领域
本发明涉及海洋环境观测技术领域，特别涉及一种温差能吸收转换装置及系统。
背景技术
目前，能源供应问题己成为我国水下探测设备长期自主运动和大面积水域远程观测的主要制约瓶颈。对于滑翔机、剖面探测浮标等海洋剖面观测设备，目前国内外大多采用锂电池供电，驱动浮力发动机来改变设备的净浮力为其提供动力。由于设备能够携带的电池数量有限，工作能力和使用寿命有限。各国的海洋科学家正在积极的开发新能源代替电池工作，比如波浪能、海洋温差能、太阳能等。由于波浪能和太阳能需要设备长期在水面工作，因此海洋温差能成为主要研究方向。
利用海洋温差能给海洋剖面观测设备供能，目前公开的方案大都采用正十六烷来吸收海洋温差能，产生体积变化，然后驱动液压系统工作，其转换过程存在以下缺陷：
1.由于正十六烷与液压油互溶，因此需要使用可形变的分隔装置将其分隔，目前的分隔方式主要以下有两种：
a)活塞弹簧式(CN110905865A)：活塞密封圈与管壁摩擦会导致能量的损失，同时正十六烷结晶后会破坏活塞密封圈，导致密封失效。
b)蓄能器皮囊加密封液体式(CN105952691A)：使用标准的蓄能器皮囊加密封液体的形式，由于正十六烷固态比液态密度大，试验发现其下沉后会接触皮囊，导致皮囊破坏。同时，这种布置方式对液压回路低压端存在限制，在凝固时需低压端液压回路保持一定的压力，才能使凝固顺利进行，这会限制本装置的应用范围。
2.正十六烷从外向内凝固，凝固时容易形成中部真空结构和缩孔，使正十六烷形变产生的能量不能充分利用。
3.由于固态正十六烷热传导仅为液态的十分之一，因此凝固过程耗时较长，限制了海洋剖面观测设备的最小工作周期。
4.目前的已公开的方案大都停留在原理层面，不可制造和使用。
发明内容
本发明的目的是：为了解决当前海洋温差能吸收转换装置正十六烷与液压油分隔方式易破坏、易泄露，正十六烷凝固时容易形成中空和缩孔，凝固融化耗时长等问题，提出一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置及系统。
本发明的一个技术方案是：一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，包括：热交换管，与热交换管组成密闭空间的端盖，将密闭空间分割为上空腔、下空腔的橡胶隔膜，安装在热交换管内的不锈钢滤网，设置在端盖内的弹簧座，设置在弹簧座、端盖内底面之间且一端与弹簧座固定的弹簧；其中：
当弹簧处于完全自由状态时，弹簧座的顶部与不锈钢滤网的底面平齐，弹簧座处于上止点。
热交换管上端设有注液口；当弹簧处于完全压缩状态时，弹簧座处于下止点，通过注液口向上空腔内注入纯水至不锈钢滤网处，并在上空腔的剩余空间内注入液态正十六烷。通过计算与设计，注入的正十六烷由液态变为固态后的体积变化量，刚好等于弹簧座从上止点运动到下至点时下空腔的体积变化量。注液完成后，对注液口进行密封。
端盖通过底部的端直通接头接入海洋剖面探测设备内部液压系统，下空腔内通过液压油与液压系统进行能量传递。
转换装置中组件的作用如下：
热交换管为正十六烷的容器，工作时，与海水进行热量交换。
正十六烷固态密度为835kg/m3，液态密度为774kg/m3，融点为18℃；工作时，感受海水温度变化，状态改变产生能量。
弹簧座用于安装弹簧，随弹簧一并运动。
纯水密度为103kg/m3，融点为0℃。纯水与正十六烷互不相溶，在上空腔内自然形成分界面。
橡胶隔膜用于分隔纯水与液压油。
弹簧用于在正十六烷凝固时施加压力。
不锈钢滤网用于防止固态的正十六烷接触橡胶隔膜。
转换装置的工作原理为：
海洋剖面探测设备位于海水表面时，转换装置裸露在海水中，海水表面温度25℃～30℃，因此，初始状态时，热交换管内的正十六烷呈液态，弹簧处于完全压缩状态，弹簧座处于下止点的位置。
海洋剖面观测设备下潜时，海水温度随着深度增加逐步减低，在水下200m就降至15℃以下。当海水温度下降至18℃以下时，正十六烷通过热交换管以及不锈钢滤网与海水进行热量的交换；在正十六烷逐渐凝固的过程中，其体积减小，而纯水始终保持液态，具有流动性，分界面向上移动，弹簧逐渐伸长，带动弹簧座和橡胶隔膜向上移动；由于在正十六烷凝固的过程中，弹簧始终处于压缩状态，因此保持上部空间始终存在压力，同时纯水也可以填充凝固形成的孔隙，可有效的防止了正十六烷凝固时形成真空泡，充分利用正十六烷由于固态与液密度差产生的体积变化。随着橡胶隔膜向上移动，下空腔形成真空，液压油从海洋剖面探测设备低压端吸入，直至正十六烷完全凝固，弹簧座运动到上止点。
在海洋剖面观测设备上浮进行水面通讯时，海水温度逐渐升高，当海水温度大于18℃，热交换管内的正十六烷通过热交换管以及不锈钢滤网与海水进行热量的交换，在正十六烷逐渐融化的过程中，其体积增大，压力增大，分界面向下移动，挤压弹簧座和橡胶隔膜向下移动，弹簧被压缩，将下空腔的液压油挤出，进入海洋剖面探测设备内的高压端，然后可转换为电能或者直接驱动海洋剖面探测设备运动。融化过程中，正十六烷存在固态与液态共存的中间状态，由于固态正十六烷密度大于液态正十六烷，固态正十六烷会沉入底部，不锈钢滤网对固态正十六烷支撑，防止其下沉后破坏橡胶隔膜。当正十六烷完成全融化后，弹簧座回到下止点。此时转换装置回到初始状态，完成一个工作循环。
在上述方案的基础上，进一步的，为提高正十六烷的热交换效率，在上空腔的中心处还设有铜芯，铜芯具有良好的热传导性；铜芯从注液口伸入上空腔内，底部与不锈钢滤网相接触；铜芯上部设有螺纹与锥形密封面，对注液口进行密封，密封处设有锥面O型密封圈。铜芯的设置，加大了正十六烷与海水的换热速度，减少了相变时间，缩短了海洋剖面探测设备的工作周期；铜芯设置在上空腔的中心位置，与热交换管以及不锈钢滤网相配合，可使正十六烷从中部和四周、以及底部多个方向开始凝固，避免中心形成真空。
上述方案中，具体的，橡胶隔膜的一端与弹簧座硫化，另一端与端盖硫化。
上述方案中，具体的，锈钢滤网通过孔用弹性挡圈安装于热交换管。
上述方案中，具体的，热交换管与端盖的安装处设有径向O型密封圈。
在上述方案的基础上，进一步的，热交换管的顶部为椭球形，以提高其耐压能力；注液口为螺纹孔式结构。
上述方案中，具体的，不锈钢滤网采用圆环状不锈钢片与垂直交错编织的不锈钢丝焊接而成。
本发明的另一个技术方案是：一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统，它使用如上所述的转换装置，多个转换装置周向排布，转换装置的安装数量，根据海洋剖面探测设备所需液压油量来确定，所有转换装置的体积变化量相加后等于海洋剖面探测设备所需液压油量。转换装置的顶部通过安装环固定，底部通过端直通接头与焊接式管接头的一端连接；焊接式管接头的另一端接入环形管；环形管上设有与海洋剖面探测设备内部液压系统连通的进/出油管。环形管将系统中所有转换装置产生的能量汇集。
在正十六烷固态至液态的转化过程中，液压油从海洋剖面探测设备低压端依次通过进/ 出油管、环形管、焊接式管接头进入转换装置的下空腔。
在正十六烷液态至固态的转化过程中，液压油从转换装置的下空腔依次通过焊接式管接头、环形管、进/出油管进入海洋剖面探测设备高压端。
在上述方案的基础上，进一步的，转换系统在海水中为零浮力，可通过安装环与环形管外挂于海洋剖面探测设备；转换系统可叠加使用，多套转换系统同时使用时，每套中的进/ 出油管并联后接入海洋剖面探测设备内部液压系统。
上述方案中，具体的，安装环、热交换管，端盖采用超硬铝或钛合金制造。
有益效果：
(1)转换装置通过橡胶隔膜，纯水，不锈钢滤网三重隔离，真正有效的分隔正十六烷与液压油，不再出现破坏和泄露风险，具有提高装置可靠性的效果。
(2)橡胶隔膜内置弹簧，使凝固过程中始终保持压力，使纯水填充十六烷凝固时所形成的缩孔，提高装置能量转换效率。凝固过程中始终保持压力，同时不再对海洋剖面探测设备液压系统提出压力要求，可扩大本装置的应用范围。
(3)通过将转换管顶部注液口的堵头设计为铜芯的形式，在转换管内加装不锈钢滤网，加大了正十六烷与海水的换热速度，减少了相变时间，缩短了海洋剖面探测设备的工作周期。
(4)转换系统零浮力，环状中空结构，通过改变环形管和安装环的制造直径，可外挂在现有海洋剖面探测设备的外面，不改变现有海洋剖面探测设备外形及内部构造，为其提供能量。转换系统可根据海洋剖面探测设备所需能量的大小，多套并联叠加使用。
附图说明
图1为正十六烷液态时转换装置的结构示意图；
图2为正十六烷固态时转换装置的结构示意图；
图3为转换装置顶部的结构示意图；
图4为转换装置中不锈钢滤网的结构示意图；
图5为用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统的结构示意图；
图6为图5的俯视图。
其中：101-安装环，102-转换装置，103-进/出油管，104-焊接式管接头，105-环形管， 1-热交换管，2-正十六烷，3-弹簧座，4-纯水，5-橡胶隔膜，6-径向O型密封圈，7-端盖，8- 弹簧，9-液压油，10-端直通接头，11-孔用弹性挡圈，12-不锈钢滤网，13-铜芯，14-锥面O型密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
参见附图1、2，一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，包括：热交换管1；热交换管1为正十六烷2的容器，工作时，与海水进行热量交换。
与热交换管1组成密闭空间的端盖7；热交换管1与端盖7的安装处设有径向O型密封圈6。热交换管1，端盖7采用超硬铝或钛合金制造。
将密闭空间分割为上空腔、下空腔的橡胶隔膜5；橡胶隔膜5的一端与弹簧座3硫化，另一端与端盖7硫化。橡胶隔膜5用于分隔纯水4与液压油9。
参见附图4，安装在热交换管1内的不锈钢滤网12；不锈钢滤网12用于防止固态的正十六烷2接触橡胶隔膜5。锈钢滤网12通过孔用弹性挡圈11安装于热交换管1内。不锈钢滤网12采用圆环状不锈钢片与垂直交错编织的不锈钢丝焊接而成。
设置在端盖7内的弹簧座3；弹簧座3用于安装弹簧8，随弹簧8一并运动。
弹簧8设置在弹簧座3、端盖7内底面之间且一端与弹簧座3固定；弹簧8用于在正十六烷2凝固时施加压力。
为提高正十六烷2的热交换效率，本例中的转换装置102还包括：具有良好的热传导性的铜芯13。
当弹簧8处于完全自由状态时，弹簧座3的顶部与不锈钢滤网12的底面平齐，弹簧座3 处于上止点。
参见附图3，热交换管1上端设有注液口；本例中，热交换管1的顶部为椭球形，以提高其耐压能力；注液口为螺纹孔式结构。当弹簧8处于完全压缩状态时，弹簧座3处于下止点，通过注液口向上空腔内注入纯水4至不锈钢滤网12处，并在上空腔的剩余空间内注入液态正十六烷2。正十六烷2固态密度为835kg/m3，液态密度为774kg/m3，融点为18℃；纯水4密度为103kg/m3，融点为0℃。纯水4与正十六烷2互不相溶，在上空腔内自然形成分界面。通过计算与设计，注入的正十六烷2由液态变为固态后的体积变化量，刚好等于弹簧座3从上止点运动到下至点时下空腔的体积变化量。
铜芯13从注液口伸入上空腔内，底部与不锈钢滤网12相接触；铜芯13上部设有螺纹与锥形密封面，用于在注液完成后对注液口进行密封，密封处设有锥面O型密封圈14。铜芯的顶部还设有固定用圆孔。
端盖7通过底部的端直通接头10接入海洋剖面探测设备内部液压系统，下空腔内通过液压油9与液压系统进行能量传递。
转换装置102的工作原理为：
海洋剖面探测设备位于海水表面时，转换装置102裸露在海水中，海水表面温度25℃～ 30℃，因此，初始状态时，热交换管1内的正十六烷2呈液态，弹簧8处于完全压缩状态，弹簧座3处于下止点的位置。
海洋剖面观测设备下潜时，海水温度随着深度增加逐步减低，在水下200m就降至15℃以下。当海水温度下降至18℃以下时，正十六烷2通过热交换管1、铜芯13以及不锈钢滤网12与海水进行热量的交换；铜芯13设置在上空腔的中心位置，与热交换管1以及不锈钢滤网12相配合，可使正十六烷从中部和四周、以及底部多个方向开始凝固，避免中心形成真空。在正十六烷2逐渐凝固的过程中，其体积减小，而纯水4始终保持液态，具有流动性，分界面向上移动，弹簧8逐渐伸长，带动弹簧座3和橡胶隔膜5向上移动；由于在正十六烷 2凝固的过程中，弹簧8始终处于压缩状态，因此保持上部空间始终存在压力，同时纯水4 也可以填充凝固形成的孔隙，可有效的防止了正十六烷2凝固时形成真空泡，充分利用正十六烷2由于固态与液密度差产生的体积变化。随着橡胶隔膜5向上移动，下空腔形成真空，液压油9从海洋剖面探测设备低压端吸入，直至正十六烷2完全凝固，弹簧座3运动到上止点，达到如图3所示状态。
在海洋剖面观测设备上浮进行水面通讯时，海水温度逐渐升高，当海水温度大于18℃，热交换管1内的正十六烷2通过热交换管1、铜芯13以及不锈钢滤网12与海水进行热量的交换，在正十六烷2逐渐融化的过程中，其体积增大，压力增大，分界面向下移动，挤压弹簧座3和橡胶隔膜5向下移动，弹簧8被压缩，将下空腔的液压油9挤出，进入海洋剖面探测设备内的高压端，然后可转换为电能或者直接驱动海洋剖面探测设备运动。融化过程中，正十六烷2存在固态与液态共存的中间状态，由于固态正十六烷2密度大于液态正十六烷2，固态正十六烷2会沉入底部，不锈钢滤网12对固态正十六烷2支撑，防止其下沉后破坏橡胶隔膜5。当正十六烷2完成全融化后，弹簧座3回到下止点，达到图2所示状态。此时转换装置102回到初始状态，完成一个工作循环。
实施例2：
参见附图5、6，一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统，采用实施例1所述的转换装置102，多个转换装置102周向均匀间隔排布，转换装置102的安装数量，根据海洋剖面探测设备所需液压油量来确定，所有转换装置102的体积变化量相加后等于海洋剖面探测设备所需液压油量。转换装置102的顶部通过安装环101固定，底部通过端直通接头10 与焊接式管接头104的一端连接；焊接式管接头104的另一端接入环形管105；环形管105 上设有与海洋剖面探测设备内部液压系统连通的进/出油管103。环形管105将系统中所有转换装置102产生的能量汇集。
本例中，安装环101与转换装置102中的铜芯13通过螺钉连接，转换装置102中的端直通接头10与焊接式管接头104通过液压接头连接，环形管105与焊接式管接头104、进/ 出油管103连接方式为焊接，焊缝耐压水密。安装环101采用超硬铝或钛合金制造。
在正十六烷2固态至液态的转化过程中，液压油从海洋剖面探测设备低压端依次通过进 /出油管103、环形管105、焊接式管接头104进入转换装置102的下空腔。
在正十六烷2液态至固态的转化过程中，液压油从转换装置102的下空腔依次通过焊接式管接头104、环形管105、进/出油管103进入海洋剖面探测设备高压端。
转换系统在海水中为零浮力，转换系统的内径大于海洋剖面探测设备的外径，可通过安装环101与环形管105外挂于海洋剖面探测设备；转换系统可叠加使用，多套转换系统同时使用时，每套中的进/出油管103并联后接入海洋剖面探测设备内部液压系统。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，包括：热交换管(1)，与所述热交换管(1)组成密闭空间的端盖(7)，将所述密闭空间分割为上空腔、下空腔的橡胶隔膜(5)，安装在所述热交换管(1)内的不锈钢滤网(12)，设置在所述端盖(7)内的弹簧座(3)，设置在所述弹簧座(3)、所述端盖(7)内底面之间且一端与所述弹簧座(3)固定的弹簧(8)；其中：
当所述弹簧(8)处于完全自由状态时，所述弹簧座(3)的顶部与所述不锈钢滤网(12)的底面平齐，所述弹簧座(3)处于上止点；
所述热交换管(1)上端设有注液口；当所述弹簧(8)处于完全压缩状态时，所述弹簧座(3)处于下止点，通过所述注液口向所述上空腔内注入纯水(4)至所述不锈钢滤网(12)处，并在所述上空腔的剩余空间内注入液态正十六烷(2)；注入的正十六烷(2)由液态变为固态后的体积变化量，等于所述弹簧座(3)从上止点运动到下至点时下空腔的体积变化量；注液完成后，对所述注液口进行密封；
所述端盖(7)通过底部的端直通接头(10)接入海洋剖面探测设备内部液压系统，所述下空腔内通过液压油(9)与所述液压系统进行能量传递。
2.如权利要求1所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，它还包括：通过所述注液口伸入所述上空腔的铜芯(13)；所述铜芯(13)位于所述上空腔的中心处，所述铜芯(13)的底部与所述不锈钢滤网(12)相接触；所述铜芯(13)上部设有螺纹与锥形密封面，对所述注液口进行密封，密封处设有锥面O型密封圈(14)。
3.如权利要求1或2所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，所述橡胶隔膜(5)的一端与所述弹簧座(3)硫化，另一端与所述端盖(7)硫化。
4.如权利要求1或2所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，所述不锈钢滤网(12)通过孔用弹性挡圈(11)安装于所述热交换管(1)。
5.如权利要求1或2所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，所述热交换管(1)与所述端盖(7)的安装处设有径向O型密封圈(6)。
6.如权利要求1或2所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，所述热交换管(1)的顶部为椭球形，所述注液口为螺纹孔式结构。
7.如权利要求1或2所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换装置，其特征在于，所述不锈钢滤网(12)采用圆环状不锈钢片与垂直交错编织的不锈钢丝焊接而成。
8.一种用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统，使用如权利要求1-7任一项所述的转换装置(102)，其特征在于：多个所述转换装置(102)周向排布，所述转换装置(102)的顶部通过安装环(101)固定，底部通过所述端直通接头(10)与焊接式管接头(104)的一端连接；所述焊接式管接头(104)的另一端接入环形管(105)；所述环形管(105)上设有与所述海洋剖面探测设备内部液压系统连通的进/出油管(103)。
9.如权利要求8所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统，其特征在于：所述转换系统在海水中为零浮力，外挂于海洋剖面探测设备；多套所述转换系统同时使用时，每套中的所述进/出油管(103)并联后接入所述海洋剖面探测设备内部液压系统。
10.如权利要求8或9所述的用于海洋剖面探测设备的温差能吸收转换系统，其特征在于：所述安装环(101)、所述热交换管(1)，所述端盖(7)采用超硬铝或钛合金制造。
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汪瑞: "面向水下潜器的温差能换热装置设计与试验研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》 *

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