CN113173240A - 船舶中央冷却水节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶中央冷却水节能系统，包括海水泵、板式换热器和淡水泵，在海水泵与板式换热器之间连接有可变腔容凸轮式脉动发生器，在海水泵上连接有变频器和温度控制器；增加脉动发生器装置后可以产生指定频率的脉动，而强化脉动可以使管内海水的湍流度增加，周期性的压力变化又可以使管内海水产生强制对流，并通过促进旋涡的形成增加有效传热，进而将对流引入边界层，与此同时会产生空化效应，从而既能提高板式换热器的换热率，还能起到抑垢、除垢的作用。

Description

船舶中央冷却水节能系统

技术领域

本发明属于换热系统技术领域，具体涉及一种船舶中央冷却水节能系统。

背景技术

船舶主动力装置（如主机）是船舶的“心脏”，而冷却系统是船舶动力装置中不可或缺的核心组成部分之一，用于冷却船舶上各个发热部件，保证所有设备在连续运行的工况下能始终正常工作。随着时代的发展与进步，船舶的设计越发追求节能，环保和高效性。中国船级社（CCS）发布的《船舶能量消耗分布与节能指南》中指出，主机的能量消耗高达74.8%，而其中船舶主机冷却水系统的冷却损失占总能量损失的28%。

目前已知的有效措施是采用海水泵变频控制技术来达到节能减排的效果，据资料显示，欧亚航线上的20000TEU级集装箱船在安装了变频调速技术之后的节能情况如下：单航次功耗节省约115167Kwh，按年均三航次计算年节约功耗为364330kWh，同时年节约燃油费用约349538元。而变频设备的成本为12万美元（约82.8万人民币），系统的成本回收时间约为2.3年，由此可以看出变频控制技术是非常值得研究和推广的。

能源的利用与消耗主要是由热能的形式进行转换，而换热器则是在这一过程中最为重要的部件，通过改进换热器结构或者是加入强化换热技术，不仅可以提高换热效率，还能减少泵的能耗，起到节能环保的作用，从而提高航运的经济性。研究换热器的换交换热效率已成为当前需要解决的重大课题。通过查阅相关资料发现，目前船舶上使用的大多数中央冷却水系统存在无法有效实现海水泵变频调速、变频响应速度慢、换热器换热效率低、管路容易产生积垢等方面的缺陷。

申请号为201521109247.3的专利公开了一种主机节能闭式冷却系统，包括：主机、淡水泵、膨胀水箱和冷却水管。主机上的入水口通过管道与淡水泵的出水口相连接，淡水泵的入水口管道与膨胀水箱的出水口相连接，主机的出水口通过管道与冷却水管道的入口相连接，冷却水管的出口通过管道与膨胀水箱的入口相连接，虽然整个系统的结构简单，可以起到很好的冷却效果，但是却不能适应不同的工况，无法根据不同工况调整淡水泵的转速，不能调节冷却水的流量，从而造成大量能源浪费。

申请号为201620782799.9的专利公开了一种中央冷却节能控制系统，包括：海水泵组、中央冷却器组、主机负荷设备、低温淡水冷却泵组、自动调节三通阀、变频器电器柜、中央冷却器、温度传感器、压力传感器。通过测量当前船舶主机负荷的大小，由计算可得出所需的冷却水量，然后按照需求来调整电机频率，以达到控制节能的目的。但是该系统在长时间运行后会导致换热器内部存有大量的水垢，如果换热器内部积垢造成换热效率降低时，系统会自动增加海水泵的转速来增加供水量，同样会造成电能的浪费，而且该系统从热平衡被打破到重新建立新的热平衡的时间比较长，在此过程中变频电机需要频繁变速。

申请号为202010774060.4的专利公开了一种船舶中央冷却淡水节能系统，包括中央冷却器、监测报警系统、多台淡水冷却泵、第一类冷却水用户和第二类冷却水用户。该系统通过监测系统来控制进水口处的控制阀门，根据压差大小控制关闭一台或多台淡水冷却泵。通过测定某些冷却用户不需要运行时可以自动关闭其对应的电动蝶阀，从而减少中央冷却水系统所需的冷却淡水流量，实现节能。但是该系统的冷却淡水泵不能实现变频控制，在某些工况下会有过量的冷却水就会造成能源浪费，并且换热器容易出现积垢，会大大影响换热效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种经优化的船舶中央冷却水节能系统，可实现变频控制，并且具有抑垢除垢的效果，更加节能减排，安全环保。

本发明的技术方案为：一种船舶中央冷却水节能系统，包括海水泵、板式换热器和淡水泵，在海水泵与板式换热器之间还连接有可变腔容凸轮式脉动发生器，在海水泵上连接有变频器和温度控制器；

可变腔容凸轮式脉动发生器包括四通管、顶盖、连接管和开闭孔组件，四通管的两个侧端口螺纹连接顶盖后闭合、进水端口通过外接管路与海水泵的出水端连接、出水端口与连接管螺纹连接，连接管的外侧端与板式换热器上的海水进口间通过外接管路连接，在连接管内部设有隔板，在隔板上设有数个贯通隔板两侧的出水孔，开闭孔组件设在可变腔容凸轮式脉动发生器内部。

进一步地，开闭孔组件包括转轴、凸轮、顶板、套筒、弹簧、活动杆和闭合板，转轴同轴穿套在一个顶盖内部，转轴的外侧端与转动电机的电机轴连接、内侧端上固定连接有凸轮，活动杆同轴套接在隔板上，活动杆与转轴垂直设置，闭合板固定在活动杆的外侧端、顶板固定在活动杆的内侧端，在活动杆的内侧段外部套接一个套筒，套筒的一端固定在隔板内侧面上，弹簧环套在套筒外部，弹簧的一端与套筒远离顶板的一侧端部固定连接、另一端与顶板侧面固定连接。

进一步地，在转轴与顶盖内侧的配合面间设有密封环。

进一步地，弹簧的内径大小与套筒的外径大小相适应。

进一步地，在四通管的进水端口与外接管路的配合面间以及连接管与外接管路的配合面间均设有密封圈。

进一步地，可变腔容凸轮式脉动发生器底部滑动连接在滑动轨道上，可变腔容凸轮式脉动发生器与驱动电机的电机轴连接，由驱动电机驱动后可沿滑动轨道滑动进而改变变腔容凸轮式脉动发生器与板式换热器之间的脉动水流导入距离。

进一步地，在海水通入管路的进口端、海水流出管路上、淡水通入管路的进口端和淡水流出管路上分别设有温度传感器，该冷却水节能系统中所有电性元件均分别与总控制器电性连接。

进一步地，淡水通入管路和淡水流出管路间设有三通阀，三通阀可由温度控制器控制阀门开度。

本发明的有益效果为：

1. 本申请公开的船舶中央冷却水节能系统在海水泵和板式换热器间增设了脉动发生器装置，在旋转电机的作用下，该装置可以产生指定频率的脉动，而强化脉动可以使管内海水的湍流度增加，周期性的压力变化又可以使管内海水产生强制对流，并通过促进旋涡的形成增加有效传热，进而将对流引入边界层，与此同时会产生空化效应，因而采用本装置不仅能提高板式换热器的换热率，还能起到抑垢、除垢的作用；

2. 本申请采用变频海水泵，利用变频技术对海水泵实施变速控制以达到无极调速，可实时检测温度信号使整个系统在动态工况下更加稳定；

3. 本申请通过设置多个温度传感器进而可对经过换热降温处理的淡水温度进行实时监测，并在与设定值比较后可通过总控制器控制海水泵的转速来调整海水供应量，通过不断检测和反复调整，使得海水泵的转速得到合理控制，最终达到节约能耗的效果；

4. 本申请通过在淡水通路上设置受温度控制器调控的三通阀，配合其他组件的使用可使低温淡水更为可控的维持在设定的温度范围内，系统调整的稳定性和灵活性进一步提升；

5. 可变腔容凸轮式脉动发生器安装在滑动轨道上，可由驱动电机驱动以改变其与板式换热器之间的脉动水流导入距离，从而可对换热效果进行调整。

附图说明

图1是船舶中央冷却水节能系统的系统连接示意图；

图2是可变腔容凸轮式脉动发生器的横向剖切示意图；

图3是开闭孔组件的结构示意图；

图4是换热效率随脉动频率变化关系图；

其中，1-海水泵，2-变频器，3-温度控制器，4-可变腔容凸轮式脉动发生器，5-板式换热器，6-淡水泵，7-驱动电机，8-三通阀；

41-四通管，42-顶盖，43-连接管，44-开闭孔组件，45-进水端口，46-出水端口，47-隔板，48-出水孔；

441-转轴，442-凸轮，443-顶板，444-套筒，445-弹簧，446-活动杆，447-闭合，448-密封环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本实施方式中提供一种船舶中央冷却水节能系统，包括海水泵1、变频器2、温度控制器3、可变腔容凸轮式脉动发生器4、板式换热器5和淡水泵6，海水泵1一端通入海水中、另一端与可变腔容凸轮式脉动发生器4连接，在海水泵1上连接有变频器2和温度控制器3，可变腔容凸轮式脉动发生器4的出口端与板式换热器5上的海水进口连接，板式换热器5上还设有淡水进口、淡水出口和海水出口，在淡水通入管路上设有淡水泵6，在海水通入管路的进口端、海水流出管路上、淡水通入管路的进口端和淡水流出管路上分别设有温度传感器，该冷却水节能系统中所有电性元件均分别与总控制器电性连接。

可变腔容凸轮式脉动发生器4包括四通管41、顶盖42、连接管43和开闭孔组件44，四通管41的两个侧端口螺纹连接顶盖42后闭合、一个进水端口45通过外接管路与海水泵1的出水端连接、一个出水端口46与连接管43螺纹连接，连接管43的外侧端与板式换热器5上的海水进口间通过外接管路连接，在连接管43内部设有与连接管43内壁一体成型的隔板47，在隔板47上设有数个贯通隔板47两侧的出水孔48，开闭孔组件44设在可变腔容凸轮式脉动发生器4内部。

开闭孔组件44包括转轴441、凸轮442、顶板443、套筒444、弹簧445、活动杆446和闭合板447，转轴441同轴穿套在一个顶盖42内部，转轴441的外侧端通过法兰与转动电机的电机轴连接、内侧端上固定连接有凸轮442，活动杆446同轴套接在隔板47上，活动杆446与转轴441垂直设置，闭合板447固定在活动杆446的外侧端、顶板443固定在活动杆446的内侧端，在活动杆446的内侧段外部套接一个套筒444，套筒444的一端固定在隔板47内侧面上，弹簧445环套在套筒444外部，弹簧445的一端与套筒444远离顶板443的一侧端部固定连接、另一端与顶板443侧面固定连接。

在转轴441与顶盖42内侧的配合面间设有密封环448以增强水密封效果。

弹簧445的内径大小与套筒444的外径大小相适应，套筒444可对弹簧445起到导向的效果。

转动电机启动带动转轴旋转，进而可带动凸轮442也进行周期性转动，凸轮442转动周期内顶板443的一侧与凸轮442间歇性接触，接触过程中，顶板443会带动活动杆446向板式换热器5方向运动，弹簧445压缩，闭合板447与隔板47脱离接触状态，出水孔48露出进行出水；当凸轮442转动至与顶板443不接触时，顶板443在弹簧445的回复力的作用下回复原位，闭合板447再次与隔板47相贴，出水孔48被闭合板447挡住进而出水被阻断；凸轮442周期性转动使得脉动装置的出口形成周期性的闭合和开启状态。

在四通管41的进水端口与外接管路的配合面间以及连接管43与外接管路的配合面间均设有密封圈增强水密性。

可变腔容凸轮式脉动发生器4底部滑动连接在滑动轨道上，可变腔容凸轮式脉动发生器4与驱动电机7的电机轴连接，由驱动电机7驱动后可沿滑动轨道滑动，进而可改变其与板式换热器5之间的距离，达到可以通过改变二者之间的距离来改变脉动流对换热性能影响的目的。

淡水通入管路和淡水流出管路间设有三通阀8，三通阀8可由温度控制器3控制阀门开度。

具体的工作流程如下：

通过淡水流出管路上的温度传感器测得换热后即将进入设备的淡水温度，数据传递到总控制器后，总控制器将该数据与系统设定值进行比较，若淡水的实测温度高于设定值时，总控制器通过控制变频器2增加海水泵1的转速来增加海水的供应量；若淡水的实测温度低于设定值时，总控制器通过控制变频器2降低海水泵1的转速来减少海水供应量，通过不断检测、反复调整，使海水泵1的转速得到合理控制后可节约能源的消耗；同时该方案中还可通过控制温度控制器3来控制三通阀8的开度，使低温淡水维持在设定的温度范围内。

接着海水通入可变腔容凸轮式脉动发生器4中，可变腔容凸轮式脉动发生器4可以产生稳定脉动，通过脉动可使管内海水的湍流度增加，周期性的压力变化会使流体产生强制对流，增强传热，且脉动流产生的空化效应会使进入板式换热器的海水不易产生水垢，经过换热后，冷却好的淡水通过管道回到各个待冷却设备，而海水最终则通过海水流出管路排到舷外。

脉动发生器配备的旋转电机可采用电流预测控制算法，其原理是根据电机和逆变器的离散数学模型来预测下一时刻的电机电流，在很短的时间内对电机电流进行精确的控制。因此电流环动态响应速度快和电机电流谐波小，从而使得电机转矩和伺服系统具有优良的控制效果和良好响应速度。

通过调整旋转电机转速来改变脉动频率，图4是换热效率随脉动频率变化关系图，设定待冷却水温度为60℃、冷却水温度为24℃，由图可以看出在增加了脉动强化换热之后，换热效率是随脉动频率改变而发生变化的，且当达到一定频率范围内时，换热效果会大大增强。通过实验数据计算可得，最佳换热效率可以达到127%。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种船舶中央冷却水节能系统，包括海水泵、板式换热器和淡水泵，其特征在于，在海水泵与板式换热器之间还连接有可变腔容凸轮式脉动发生器，在海水泵上连接有变频器和温度控制器；

可变腔容凸轮式脉动发生器包括四通管、顶盖、连接管和开闭孔组件，四通管的两个侧端口螺纹连接顶盖后闭合、进水端口通过外接管路与海水泵的出水端连接、出水端口与连接管连接，连接管的外侧端与板式换热器上的海水进口间通过外接管路连接，在连接管内部设有隔板，在隔板上设有数个出水孔，开闭孔组件设在可变腔容凸轮式脉动发生器内部。

2.如权利要求1所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，开闭孔组件包括转轴、凸轮、顶板、套筒、弹簧、活动杆和闭合板，转轴同轴穿套在一个顶盖内部，转轴的外侧端与转动电机的电机轴连接、内侧端上固定连接有凸轮，活动杆同轴套接在隔板上，活动杆与转轴垂直设置，闭合板固定在活动杆的外侧端、顶板固定在活动杆的内侧端，在活动杆的内侧段外部套接一个套筒，套筒的一端固定在隔板内侧面上，弹簧环套在套筒外部，弹簧的一端与套筒远离顶板的一侧端部固定连接、另一端与顶板侧面固定连接。

3.如权利要求2所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，在转轴与顶盖内侧的配合面间设有密封环。

4.如权利要求3所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，弹簧的内径大小与套筒的外径大小相适应。

5.如权利要求4所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，在四通管的进水端口与外接管路的配合面间以及连接管与外接管路的配合面间均设有密封圈。

6.如权利要求5所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，可变腔容凸轮式脉动发生器底部滑动连接在滑动轨道上，可变腔容凸轮式脉动发生器与驱动电机的电机轴连接，由驱动电机驱动后可沿滑动轨道滑动进而改变可变腔容凸轮式脉动发生器与板式换热器之间的脉动水流导入距离。

7.如权利要求6所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，在海水通入管路的进口端、海水流出管路上、淡水通入管路的进口端和淡水流出管路上分别设有温度传感器，该冷却水节能系统中所有电性元件均分别与总控制器电性连接。

8.如权利要求6所述的船舶中央冷却水节能系统，其特征在于，淡水通入管路和淡水流出管路间设有三通阀，三通阀可由温度控制器控制阀门开度。

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