CN114636317A - 冷却系统及船舶蒸汽动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶蒸汽动力技术领域，提供一种冷却系统及船舶蒸汽动力系统，冷却系统包括冷凝器，冷凝器设有蒸汽入口，蒸汽入口用于连通于蒸汽管道；冷却舱，冷却舱设有冷却水入口和冷却水出口；及自循环管路，自循环管路包括首尾依次连通以形成封闭回路的第一管道段、第二管道段、第三管道段和第四管道段；第一管道段安装于冷凝器内，第三管道段安装于冷却舱内，第二管道段和第四管道段安装于冷凝器和冷却舱外部；自循环管路中容置有低沸点介质，低沸点介质能够在第一管道段内与蒸汽管道通入的待冷却蒸汽发生热交换而汽化，和在第三管道段内与冷却水发生热交换而液化。本发明提供的冷却系统及船舶蒸汽动力系统提高了冷却系统的动力效率和稳定性。

Description

冷却系统及船舶蒸汽动力系统

技术领域

本发明涉及船舶蒸汽动力技术领域，尤其涉及一种冷却系统及船舶蒸汽动力系统。

背景技术

船舶的蒸汽动力系统包括冷却系统，冷却系统用于冷却汽轮机所产生的高温蒸汽。

在常见的冷却系统中，汽轮机产生的待冷却蒸汽通过蒸汽管道通入冷却系统的冷凝器，在冷凝器中与冷凝水发生热交换；被加热的冷凝水通过管路引入冷却舱，在冷却舱内与冷却水发生热交换而降温。

这种冷却系统的缺陷在于，为了驱动冷凝水在管路中流动，需要设置专门的泵阀设备。泵阀设备消耗动力系统的能量，降低船舶蒸汽动力系统效率，且泵阀设备存在泄漏问题，并产生振动、噪音，影响船舶动力系统可靠性和稳定性。

发明内容

本发明提供一种冷却系统及船舶蒸汽动力系统，用以解决现有技术中冷却系统依靠泵阀设备驱动冷凝水流动，降低船舶蒸汽动力系统效率且存在泄漏问题，影响船舶蒸汽动力稳定性和可靠性的缺陷。

本发明提供一种冷却系统，包括冷凝器，所述冷凝器设有蒸汽入口，所述蒸汽入口用于连通于蒸汽管道；冷却舱，所述冷却舱设有冷却水入口和冷却水出口；及自循环管路，所述自循环管路包括首尾依次连通以形成封闭回路的第一管道段、第二管道段、第三管道段和第四管道段；所述第一管道段安装于所述冷凝器内，所述第三管道段安装于所述冷却舱内，所述第二管道段和所述第四管道段安装于所述冷凝器和所述冷却舱外部；所述自循环管路中容置有低沸点介质，所述低沸点介质能够在所述第一管道段内与蒸汽管道通入的所述待冷却蒸汽发生热交换而沸腾，和在所述第三管道段内与所述冷却水发生热交换而冷凝。

根据本发明提供的冷却系统，所述自循环管路包括多个。

根据本发明提供的冷却系统，所述第一管道段包括两个冷凝封头和多个冷凝管道，所述冷凝管道的两端分别连通于两个所述冷凝封头，两个所述冷凝封头分别连通于所述第二管道段和所述第四管道段，多个所述冷凝管道并列排布于两个所述冷凝封头之间；所述第三管道段包括两个冷却封头和多个冷却管道，所述冷却管道的两端分别连通于两个所述冷却封头，两个所述冷却封头分别连通于所述第二管道段和所述第四管道段，多个所述冷却管道并列排布于两个所述冷却封头之间。

根据本发明提供的冷却系统，所述冷凝管道和/或所述冷却管道构造为直线型管。

根据本发明提供的冷却系统，所述冷却系统还包括截止阀，所述截止阀安装于所述第二管道段的两端和所述第四管道段的两端。

根据本发明提供的冷却系统，所述冷却系统具有安装基准面；所述第一管道段和所述第三管道段均倾斜于所述安装基准面，且所述第三管道段相对于所述第一管道段远离所述安装基准面，且所述第一管道段距离所述安装基准面较远的一端通过所述第二管道段或所述第四管道段连通于所述第三管道段距离所述安装基准面较远的一端。

根据本发明提供的冷却系统，所述第二管道段到所述安装基准面的距离沿从所述第二管道段连通于所述第一管道段一端到连通于所述第三管道段一端的方向逐渐增大；所述第四管道段到所述安装基准面的距离沿从所述第四管道段连通于所述第一管道段一端到连通于所述第三管道段一端的方向逐渐增大。

根据本发明提供的冷却系统，所述第二管道段和所述第四管道段均构造为直线型管。

根据本发明提供的冷却系统，所述低沸点介质为电子氟化液。

本发明还提供一种船舶蒸汽动力系统，包括上述任一项所述的冷却系统。

本发明提供的冷却系统及船舶蒸汽动力系统以低沸点介质代替冷凝水，通过自循环管路中低沸点介质的沸腾和凝结使低沸点介质自发流动，将待冷却蒸汽的热量转移至冷却水，从而低沸点介质可以在无需泵阀设备驱动的情况下稳定循环，避免影响蒸汽动力系统效率，且降低了泄漏几率，提高了冷却系统稳定性和可靠性。并且，由于低沸点介质在液态温度基本稳定，相比于待冷却蒸汽和经冷却水冷却的冷凝水之间的温差，待冷却蒸汽和液态低沸点介质之间的温差更容易保持稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的冷却系统的结构示意图；

图2是本发明提供的自循环管路的结构示意图。

附图标记：

1：冷凝器；11：冷凝器侧壁；

2：冷却舱；21：冷却舱侧壁；

3：自循环管路；31：第一管道段；311：冷凝管道；312：冷凝封头；32：第二管道段；33：第三管道段；331：冷却管道；332：冷却封头；34：第四管道段；35：截止阀；

4：汽轮机；5：汽轮机底座；6：蒸汽管道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

本发明提供一种冷却系统，如图1所示，包括：冷凝器1、冷却舱2和自循环管路3。其中，冷凝器1设有蒸汽入口(图中未标出)，蒸汽入口用于连通于蒸汽管道6；冷却舱2设有冷却水入口和冷却水出口(图中未示出)；自循环管路3包括首尾依次连通以形成封闭回路的第一管道段31、第二管道段32、第三管道段33和第四管道段34；第一管道段31安装于冷凝器1内，第三管道段33安装于冷却舱2内，第二管道段32和第四管道段34安装于冷凝器1和冷却舱2外部；自循环管路3中容置有低沸点介质，低沸点介质能够在第一管道段31内与蒸汽管道6通入的待冷却蒸汽发生热交换而沸腾，和在第三管道段33内与冷却水发生热交换而冷凝。

本发明提供的冷却系统安装于船舶的蒸汽动力系统中。可以理解，如图1所示，在蒸汽动力船舶中，汽轮机4底部安装有汽轮机底座5，汽轮机4连通于蒸汽管道6，蒸汽管道6连通于冷却系统。汽轮机4通过蒸汽管道6将待冷却蒸汽通入冷却系统。

其中，蒸汽管道6连通于冷凝器1的蒸汽入口。可以理解，冷凝器1设有空腔，蒸汽入口设于冷凝器1空腔的腔壁，蒸汽管道6通过蒸汽入口向冷凝器1通入待冷却蒸汽，从而待冷却蒸汽容纳于冷凝器1的空腔内。

待冷却蒸汽在冷凝器1的空腔内，与自循环管路3中的第一管道段31中的低沸点介质发生热交换，从而在第一管道段31外部凝结形成的液体。液体沉积在冷凝器1底部，冷凝器1底部连接于回收装置，以收集凝结的液体。

其中，自循环管路3包括第一管道段31、第二管道段32、第三管道段33和第四管道段34，第一管道段31的一端连通于第二管道段32的一端，第二管道段32的另一端连通于第三管道段33的一端，第三管道段33的另一端连通于第四管道段34，第四管道段34的另一端连通于第一管道段31远离第二管道段32的一端，从而第一管道段31、第二管道段32、第三管道段33和第四管道段34首尾依次连通而形成封闭回路。

第一管道段31安装于冷凝器1中，第三管道段33安装于冷却舱2中，第二管道段32和第四管道段34分别穿过冷凝器1的侧壁和冷却舱2的侧壁而连通于第一管道段31和第三管道段33，从而第二管道段32和第四管道段34安装于冷凝器1和冷却舱2之间。可以理解，第二管道段32的外壁和第四管道段34的外壁均与冷凝器1的侧壁和冷却舱2的侧壁封闭连接，从而避免冷凝器1中的待冷却蒸汽和冷却舱2中的冷却水泄漏。

自循环管路3的工作原理可以理解为：在一个封闭回路中充斥有低沸点介质，封闭回路的一侧受热，另一侧受到冷却，则液态的低沸点介质容易在受热一侧沸腾汽化为气态，气态介质在封闭回路中自然流动至受冷一侧，凝结液化为液态，液态介质在封闭回路中自然流回受热一侧。从而，封闭回路中的低沸点介质在封闭回路两侧不断发生热交换，通过液态和气态的转换在封闭回路中自发流动。

对应的，在本发明提供的冷却系统中，如图1所示，自循环管路3中的低沸点介质在第一管道段31中与容纳于冷凝器1内并位于第一管道段31外部的待冷却蒸汽发生热交换，待冷却蒸汽冷凝为液态并沉积在冷凝器1底部，第一管道段31中的低沸点介质则沸腾为气态，并通过第二管道段32流向第三管道段33。气态的低沸点介质在第三管道段33内与充满于冷却舱2内并位于第三管道段33外部的冷却水发生热交换，低沸点介质冷凝为液态，液态的低沸点介质通过第四管道段34回流至第一管道段31。

其中，可以理解，冷却舱2通过冷却水进口和冷却水出口排入和排出冷却水，冷却水流向可以如图1箭头所示。通入冷却舱2的冷却水可以直接采用海水，以使冷却水保持在较低温度。

本发明提供的冷却系统至少具有以下优点：第一，待冷却蒸汽直接充斥于冷凝器1内，与安装于冷凝器1内的第一管道段31内的低沸点介质发生热交换。从而无需在冷凝器1内为待冷却蒸汽设置回路，无需为待冷却蒸汽回路设置泵阀设备控制待冷却蒸汽的流速，冷凝器1结构限制和安装空间限制小，节省驱动泵阀设备所需的功率，提高了动力效率。第二，相比于以冷凝水冷却待冷却蒸汽，以冷却水冷却冷凝水的技术方案，本发明以低沸点介质代替冷凝水，通过自循环管路3中低沸点介质的沸腾和凝结使低沸点介质自发流动，将待冷却蒸汽的热量转移至冷却水，从而无需为自循环管路3设置泵阀设备，避免影响蒸汽动力系统效率，且降低了泄漏几率，提高了冷却系统稳定性和可靠性。第三，由于低沸点介质在液态温度基本稳定，相比于待冷却蒸汽和经冷却水冷却的冷凝水之间的温差，待冷却蒸汽和液态低沸点介质之间的温差更容易保持稳定，从而提高了冷却系统的稳定性。

在上述实施例的基础上，可以理解，低沸点介质应为常压下易沸介质，其沸点可以在30℃-40℃之间。并且，低沸点介质可以选用环境友好型介质。具体的，在一个实施例中，低沸点介质为电子氟化液。

在上述实施例的基础上，可选的，在本发明的一些实施例中，自循环管路3包括多个。

可以理解，一个自循环管路3可以作为一个换热模块，从而冷却系统中可以包括多个自循环管路3，冷凝器1和冷却舱2中分别可以安装有多个独立的第一管道段31和多个独立的第三管道段33。比如，在一个实施例中，如图1所示，冷却系统中包括三个自循环管路3。

在上述实施例的基础上，可选的，在本发明的一些实施例中，第一管道段31包括两个冷凝封头312和多个冷凝管道311，冷凝管道311的两端分别连通于两个冷凝封头312，两个冷凝封头312分别连通于第二管道段32和第四管道段34，多个冷凝管道311并列地排布于两个冷凝封头312之间；第三管道段33包括两个冷却封头332和多个冷却管道331；冷却管道331的两端分别连通于两个冷却封头332，两个冷却封头332分别连通于第二管道段32和第四管道段34，多个冷却管道331并列地排布于两个冷却封头332之间。

其中，可以理解，如图2所示，冷凝封头312内设有可供气体或液体流动的流道。一个冷凝封头312连通于第二管道段32，另一个冷凝封头312连通于第四管道段34，多个冷凝管道311并列地连通于两个冷凝封头312之间，从而多个冷凝管道311通过冷凝封头312形成并列。

从而，低沸点介质流经冷凝封头312后，被分成多份，通过不同的冷凝管道311流向另一端的冷凝封头312。

对应的，冷凝器1设有与冷凝封头312适配的冷凝开口，冷凝封头312封堵于冷凝开口，从而如图2所示，第一管道段31的冷凝封头312部分位于冷凝器侧壁11外侧，而与第二管道段32和第四管道段34连通；第一管道段31的其余部分则安装于冷凝器侧壁11内侧。

相同的，如图2所示，冷却封头332内设有可供气体或液体流动的流道。一个冷却封头332连通于第二管道段32，另一个冷却封头332连通于第四管道段34，多个冷却管道331并列地连通于两个冷却封头332之间，从而多个冷却管道331通过冷却封头332形成并列。

从而，低沸点介质流经冷却封头332后，被分成多份，通过不同的冷却管道331流向另一端的冷却封头332。

对应的，冷却舱2设有与冷却封头332适配的冷却开口，冷却封头332封堵于冷却开口，从而如图2所示，第三管道段33的冷却封头332部分位于冷却舱侧壁21外侧，而与第二管道段32和第四管道段34连通；第三管道段33的其余部分则安装于冷却舱侧壁21内侧。

其中，可选的，多个冷凝管道311相互平行，多个冷却管道331相互平行。

具体的，在一个实施例中，如图2所示，第一管道段31包括24个冷凝管道311，且第三管道段33包括18个冷却管道331。

本发明实施例提供的冷却系统中，通过设置冷凝封头312与冷凝管道311，和/或设置冷却封头332和冷却管道331，增大了第一管道段31和/或第三管道段33的体积，即增大了低沸点介质在第一管道段31和/或第三管道段33中的换热面积，从而提高了冷却系统的换热效率。

在上述实施例的基础上，进一步可选的，冷凝管道311和/或冷却管道331构造为直线型管。

可以理解，由于多个冷凝管道311之间和多个冷却管道331之间为平行并列关系，直线型管的冷凝管道311和/或冷却管道331可以在增大低沸点介质换热面积的同时尽量减小低沸点介质在整个自循环管路3中的流动路径长度，从而有助于加强冷却系统的稳定性。

在上述实施例的基础上，可选的，在本申请的一些实施例中，冷却系统还包括截止阀35，截止阀35安装于第二管道段32的两端和第四管道段34的两端。

具体的，如图2所示，第二管道段32连通于第一管道段31的一端和连通于第三管道段33的一端均安装有截止阀35，第四管道段34连通于第一管道段31的一端和连通于第三管道段33的一端也均安装有截止阀35。从而，在第一管道段31发生泄漏时，可以关闭第二管道段32和第四管道段34的靠近第一管道段31一端的截止阀35，封闭第一管道段31，以避免整个冷却系统受损。同理，在第三管道段33发生泄漏时，可以关闭第二管道段32和第四管道段34的靠近第三管道段33一端的截止阀35，封闭第三管道段33。

在上述实施例的基础上，可选的，在本发明的一些实施例中，冷却系统具有安装基准面。第一管道段31和第三管道段33均倾斜于安装基准面，且第三管道段33相对于第一管道段31远离安装基准面，并且，第一管道段31距离安装基准面较远的一端通过第二管道段32或第四管道段34连通于第三管道段33距离安装基准面较远的一端。

其中，必须说明的是，冷却系统的安装基准面为冷却系统安装于蒸汽动力船舶时，冷却系统连接于船舶，平行于船舶底座或甲板平面，且最靠近船舶最底部的一个平面。

可以理解，冷却系统内各部件到安装基准面的距离可以用于体现各部件相对于船舶最底部的高度。并且，在安装有冷却系统的蒸汽动力船舶正向放置于地面上时，冷却系统的安装基准面平行于地面。

图2示意性地体现了第一管道段31和第三管道段33相对于安装基准面的倾斜安装方式。如图2所示，第一管道段31倾斜于安装基准面的安装于冷凝器1中，则第一管道段31具有距离安装基准面较近，即相对于船舶最底部的高度较小的第一端，和距离安装基准面较远，即相对于船舶最底部的高度较大的第二端；第三管道段33倾斜于安装基准面的安装于冷却舱2中，则第三管道段33同样具有距离安装基准面较近，即相对于船舶最底部的高度较小的第一端，和距离安装基准面较远，即相对于船舶最底部的高度较大的第二端。并且，第三管道段33整体相对于第一管道段31距离安装基准面较远，即以船舶最底端为高度基准，第三管道段33整体位于第一管道段31上方。并且，第一管道段31的第一端通过第四管道段34连通于第三管道段33的第一端，第一管道段31的第二端通过第二管道段32连通于第三管道段33的第二端。

从而，低沸点介质自循环管路3中的流动方向如图2箭头所示，低沸点介质在第一管道段31的第一端沸腾汽化，由于气态的低沸点介质具有向高处流动的趋势，第一管道段31的第二端高于第一端，且第三管道段33整体相较于船舶最底部高于第一管道段31，则气态的低沸点介质可以自发地上浮至第一管道段31的第二端，并通过第二管道段32自发地上浮至第三管道段33的第二端。气态的低沸点介质在第三管道段33的第二端与冷却水发生热交换而凝结，由于液态的低沸点介质具有向低处流动的趋势，则液态的低沸点介质可以沿第三管道段33的倾斜方向自发地向下流动至第三管道段33的第一端，继而通过第四管道段34下流至第一管道段31的第一端。从而，本发明实施例提供的冷却系统，通过第一管道段31和第三管道段33的倾斜布置和高度区分，利用低沸点介质在气态和液态下的密度差和重力因素促进低沸点介质的流动，有效提高自循环管路3的工作稳定性。

在上述实施例的基础上，进一步可选的，第二管道段32到安装基准面的距离沿从第二管道段32连通于第一管道段31一端到连通于第三管道段33一端的方向逐渐增大；第四管道段34到安装基准面的距离沿从第四管道段34连通于第一管道段31一端到连通于第三管道段33一端的方向逐渐增大。

比如，如图2所示，第二管道段32的第一端连通于第一管道段31的第二端，第二管道段32的第二端连通于第三管道段33的第二端，则第二管道段32到安装基准面的距离从第一端到第二端的逐渐增大，第二管道段32相对于船舶最底部的高度从第一端到第二端逐渐上升，不具备下降趋势。

对应的，第四管道段34的第一端连通于第一管道段31的第一端，第四管道段34的第二端连通于第三管道段33的第一端，第四管道段34相较于船舶最底部的高度也从第一端到第二端逐渐上升，不具备下降趋势。

其中，第二管道段32和第四管道段34从第一端到第二端可以是沿直线或曲线延伸，只要延伸方向上不具备下降趋势即可。

可以理解，由于气态的低沸点介质从第二管道段32和第四管道段34中的一个上浮，液态的低沸点介质从第二管道段32和第四管道段34中的另一个下流，则若第二管道段32或第四管道段34相较于船舶最底部的高度具有起伏，可能导致气态低沸点介质在上浮的过程中受到阻挡，或液态低沸点介质在下流的过程中堵塞或积存。从而，设置第二管道段32和第四管道段34从第一端到第二端的高度均逐渐上升，有利于低沸点介质自然流动，避免低沸点介质堵塞于第二管道段32或第四管道段34内。

在上述实施例的基础上，进一步可选的，如图2所示，第二管道段32和第四管道段34构造为直线型管。

另一方面，本发明还提供一种船舶蒸汽动力系统，包括上述任一实施例提供的冷却系统。

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)

1.一种冷却系统，其特征在于，包括：

冷凝器，所述冷凝器设有蒸汽入口，所述蒸汽入口用于连通于蒸汽管道；

冷却舱，所述冷却舱设有冷却水入口和冷却水出口；及

自循环管路，所述自循环管路包括首尾依次连通以形成封闭回路的第一管道段、第二管道段、第三管道段和第四管道段；

所述第一管道段安装于所述冷凝器内，所述第三管道段安装于所述冷却舱内，所述第二管道段和所述第四管道段安装于所述冷凝器和所述冷却舱外部；

所述自循环管路中容置有低沸点介质，所述低沸点介质能够在所述第一管道段内与所述蒸汽管道通入的待冷却蒸汽发生热交换而沸腾，和在所述第三管道段内与所述冷却水发生热交换而冷凝。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述自循环管路包括多个。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述第一管道段包括两个冷凝封头和多个冷凝管道，所述冷凝管道的两端分别连通于两个所述冷凝封头，两个所述冷凝封头分别连通于所述第二管道段和所述第四管道段，多个所述冷凝管道并列排布于两个所述冷凝封头之间；

所述第三管道段包括两个冷却封头和多个冷却管道，所述冷却管道的两端分别连通于两个所述冷却封头，两个所述冷却封头分别连通于所述第二管道段和所述第四管道段，多个所述冷却管道并列排布于两个所述冷却封头之间。

4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述冷凝管道和/或所述冷却管道构造为直线型管。

5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括截止阀，所述截止阀安装于所述第二管道段的两端和所述第四管道段的两端。

6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统具有安装基准面；

所述第一管道段和所述第三管道段均倾斜于所述安装基准面，且所述第三管道段相对于所述第一管道段远离所述安装基准面，且所述第一管道段距离所述安装基准面较远的一端通过所述第二管道段或所述第四管道段连通于所述第三管道段距离所述安装基准面较远的一端。

7.根据权利要求6所述的冷却系统，其特征在于，所述第二管道段到所述安装基准面的距离沿从所述第二管道段连通于所述第一管道段一端到连通于所述第三管道段一端的方向逐渐增大；

所述第四管道段到所述安装基准面的距离沿从所述第四管道段连通于所述第一管道段一端到连通于所述第三管道段一端的方向逐渐增大。

8.根据权利要求7所述的冷却系统，其特征在于，所述第二管道段和所述第四管道段均构造为直线型管。

9.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述低沸点介质为电子氟化液。

10.一种船舶蒸汽动力系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的冷却系统。

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