本發(fā)明涉及應(yīng)用于船舶水余熱回收系統(tǒng)的水錘沖擊波脈動(dòng)換熱裝置，屬于余熱回收領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著IMO對船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EDDI)的強(qiáng)化要求，船用設(shè)備的節(jié)能問題日益得到關(guān)注。近年來，船用換熱設(shè)備的傳熱強(qiáng)化和防結(jié)垢問題已越來越引起重視。船舶余熱利用目前主要的方向是：主副機(jī)廢氣余熱和缸套冷卻水余熱的利用。廢氣余熱大部分是被發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪和廢氣鍋爐利用，而缸套水的熱量是在中央冷卻器中被海水帶走。一些余熱利用設(shè)備，比如船舶經(jīng)濟(jì)器等，因受空間的限制，在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用并不廣泛。換熱的強(qiáng)化對這些裝置體積的減小起著決定性作用，而體積是很多節(jié)能裝置在船舶進(jìn)一步推廣的重要前提。目前船舶上很多換熱設(shè)備，為節(jié)省空間和提高換熱效率，也趨于用板式換熱器替代殼管式換熱器。

中國專利號[201210145569.8]，公開(公告)日2012.09.19，公開了一種可調(diào)往復(fù)式脈動(dòng)流強(qiáng)化傳熱換熱器，通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制脈動(dòng)流的平均流速、脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)振幅，可以強(qiáng)化換熱。但是由于需要通過電機(jī)和調(diào)頻管道泵輸送流體需要電能，并且能源消耗很高。傳統(tǒng)脈動(dòng)發(fā)生裝置一般采用電磁閥或往復(fù)泵等方法，但這些脈動(dòng)方式屬于有源強(qiáng)化傳熱技術(shù)，需要消耗額外的能耗，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于船舶水余熱回收系統(tǒng)的水錘沖擊波脈動(dòng)換熱裝置，具有余熱利用效率高、換熱器尺寸小、不易結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的應(yīng)用于船舶水余熱回收系統(tǒng)的水錘沖擊波脈動(dòng)換熱裝置，包含板式換熱器，板式換熱器一路由柴油機(jī)缸套水熱源產(chǎn)生的熱量經(jīng)過板式換熱器換熱，通過第一水泵在板式換熱器中循環(huán)換熱，另一路通過離心水泵驅(qū)動(dòng)冷卻介質(zhì)流經(jīng)設(shè)置在主回路上的流量調(diào)節(jié)閥、沖擊閥進(jìn)入到板式換熱器中吸熱，在流量調(diào)節(jié)閥與沖擊閥之間設(shè)有三通閥，三通閥的一個(gè)端口與彈簧單向閥連接，彈簧單向閥位于儲(chǔ)能罐中，儲(chǔ)能罐中通過支路管道與主回路連接，在主回路上設(shè)有對升溫后的冷卻介質(zhì)進(jìn)行降溫的取熱設(shè)備。

作為優(yōu)選，所述沖擊閥包含進(jìn)口端、鋼制閥體、軸、沖擊墊片、O型密封圈、螺母和出口端，所述鋼制閥體為空腔結(jié)構(gòu)，在鋼制閥體上設(shè)有進(jìn)口端和出口端，在鋼制閥體內(nèi)設(shè)有沿鋼制閥體運(yùn)動(dòng)的軸，在軸上安裝有O型密封圈和沖擊墊片，沖擊墊片通過安裝在軸上的螺母固定，流體從進(jìn)口端流入，當(dāng)流體壓力過大時(shí)，沖擊墊片向上推動(dòng)關(guān)閉出口端，流體才可截止；當(dāng)流體壓力逐漸減小或流體回流時(shí)，流體作用力不足以克服沖擊墊片的重量，沖擊墊片與O型密封圈分離。

作為優(yōu)選，所述彈簧單向閥包含鋼制彈簧閥體、鋼珠、彈簧，鋼制彈簧閥體設(shè)有進(jìn)口和出口，在進(jìn)口處設(shè)有鋼珠，鋼珠與彈簧連接，彈簧一端安裝在安裝板上，安裝板固定在鋼制彈簧閥體的腔體內(nèi)，安裝板上設(shè)有若干個(gè)通孔，彈簧作用力將鋼珠壓緊在鋼制彈簧閥體上，切斷了單向閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的管路。流體從進(jìn)口端流入，需要一定的開啟壓力將鋼珠推動(dòng)才能夠開啟，流體才可流通；當(dāng)流體壓力沒到到達(dá)開啟力、停止工作或流體回流時(shí)，彈簧將鋼珠推到入口位置形成密封，起到止回功能。

作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)能罐材料為不銹鋼或塑性材料，形狀為長方體或柱狀。儲(chǔ)能罐的作用主要是控制脈動(dòng)壓力幅值，當(dāng)產(chǎn)生的高壓脈動(dòng)波通過單向閥后，一部分流體流過儲(chǔ)能罐，一部分則進(jìn)入儲(chǔ)能罐使其回路壓力下降，防止對泵的性能造成損壞。

作為優(yōu)選，所述沖擊閥的閥體關(guān)緊力小于流體的最大沖擊作用力，所述彈簧單向閥的閥體關(guān)緊力小于產(chǎn)生的最大脈動(dòng)波壓力，彈簧單向閥關(guān)緊力為沖擊閥關(guān)緊力的2倍。

作為優(yōu)選，所述取熱設(shè)備為盤式加熱油柜，所述盤式加熱油柜包含盤管換熱器、油柜，所述盤管換熱器與主回路連通，盤管換熱器位于油柜中。油柜也可以為吸收式熱泵空調(diào)系統(tǒng)、供暖、經(jīng)濟(jì)器等。

作為優(yōu)選，所述板式換熱器的進(jìn)口處和取熱設(shè)備的出口處均安裝有除氣器，防止空化效應(yīng)損壞裝置。

作為優(yōu)選，所述支路管道的管口截面積小于主回路的管口截面積。

在本發(fā)明中，余熱回收系統(tǒng)主要由柴油機(jī)缸套水熱源、離心水泵、板式換熱器、彈簧單向閥、沖擊閥、儲(chǔ)能罐、流量調(diào)節(jié)閥、取熱設(shè)備、除氣器組成，主要工作原理是：流體流經(jīng)單向閥和沖擊閥，當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，水壓迫使沖擊閥關(guān)閉，在右側(cè)回路中產(chǎn)生液壓沖擊，沖擊作用力足以使彈簧單向閥打開，將其正擴(kuò)散波作用到空氣室中，造成了脈動(dòng)，待其正擴(kuò)散波消耗完畢轉(zhuǎn)化為負(fù)擴(kuò)散波時(shí)，沖擊閥自動(dòng)打開，完成一次循環(huán)，往復(fù)進(jìn)行。通過水錘泵沖擊閥的開關(guān)，在換熱系統(tǒng)中造成水錘沖擊波，管路壓力呈現(xiàn)大振幅周期性的壓力脈動(dòng)，使板式換熱器換熱效率大大提升，換熱后的高溫水通過離心水泵輸送到取熱設(shè)備處。傳統(tǒng)船舶廢氣余熱大部分是被發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪和廢氣鍋爐利用，而缸套水的熱量是在中央冷卻器中被海水帶走。一些余熱利用設(shè)備，比如船舶經(jīng)濟(jì)器等，因受空間的限制，在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用并不廣泛。本發(fā)明通過自制脈動(dòng)源，將其應(yīng)用于船舶余熱回收，可以有效減小余熱利用設(shè)備的體積，如盤管加熱器和經(jīng)濟(jì)器。同時(shí)又由于脈動(dòng)效應(yīng)，產(chǎn)生的沖擊波極大提高了余熱利用設(shè)備的換熱效率。

在本發(fā)明中，流量控制閥的開度有不同的要求，當(dāng)液體開始流過時(shí)，閥門開度大，此時(shí)的液體壓力作用于沖擊閥，隨著沖擊閥受得壓力增大，使得閥門關(guān)閉，產(chǎn)生的反向脈動(dòng)沖擊波向單向閥和調(diào)節(jié)閥流過，此時(shí)要求調(diào)節(jié)閥的開度很小，目的一是讓其脈動(dòng)沖擊波作用于單向閥，產(chǎn)生持續(xù)不斷的脈動(dòng)波。目的二是為了讓少量脈動(dòng)沖擊波通過調(diào)節(jié)閥，對取熱設(shè)備流體流動(dòng)造成擾動(dòng)，增加換熱效率。

在本發(fā)明中，自激振脈動(dòng)裝置，因無需額外能耗，因此在船舶余熱回收方面更凸顯其獨(dú)有的優(yōu)越性。受水錘泵的啟發(fā)，將限流閥、單向閥和空氣室組合一體，作為脈動(dòng)源，將其應(yīng)用于船舶設(shè)備的余熱利用(廢氣余熱、缸套冷卻水余熱)和防結(jié)垢等領(lǐng)域，將過去視為“負(fù)能量”的水錘沖擊波效應(yīng)轉(zhuǎn)化為“正能量”，在可靠性得以充分保證的前提下，達(dá)到顯著增強(qiáng)換熱器的傳熱性能同時(shí)又達(dá)到抑制結(jié)垢的效果。應(yīng)用于采暖、柴油機(jī)廢氣余熱回收等領(lǐng)域，他們主要是采用將限流閥與隔膜泵結(jié)合起來，對上述系統(tǒng)中的換熱器進(jìn)行換熱強(qiáng)化，也可達(dá)到防結(jié)垢的功效。研究發(fā)現(xiàn)，基于水力沖擊效應(yīng)的換熱器可節(jié)約換熱面積25-50％左右，即換熱器的體積和重量可大大降低，顯著減少金屬制造耗量?？珊芎脩?yīng)用于采暖、柴油機(jī)廢熱回收等領(lǐng)域。

在本發(fā)明中，開始工作時(shí)，沖擊閥腔體內(nèi)流體的壓力遠(yuǎn)小于單向閥彈簧預(yù)緊力和鋼珠的重量，彈簧單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，流體從沖擊閥出口沿主回路流回壓載腔；當(dāng)流體流速大于一閾值時(shí)，沖擊閥在閥座前后壓差力的作用力作用下迅速關(guān)閉，在主回路II中產(chǎn)生液壓沖擊，脈沖壓力克服鋼珠的重量和彈簧預(yù)緊力，彈簧單向閥打開，流體從支路III返回主流路II，儲(chǔ)能罐內(nèi)的空氣受壓縮，支路III由彈簧單向閥和儲(chǔ)能罐組成，。繼而沖擊閥內(nèi)泄壓，在儲(chǔ)能罐被壓縮空氣和彈簧的反彈力作用下，彈簧單向閥重新關(guān)閉，循環(huán)往復(fù)。

在本發(fā)明中，當(dāng)流路II的流體流過閥座時(shí)，在閥座后面會(huì)產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致閥座前后壓力分布差異很大，即通常所述的壓差阻力。當(dāng)流速大于一定值時(shí)，閥座前后的壓差力足以克服閥座本身的重量，水流推動(dòng)閥座向上運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉閥體的出口孔，截?cái)嘀髁髀稩I，產(chǎn)生水錘沖擊波效應(yīng)。所述由閥體、鋼珠、彈簧等組成，彈簧作用力將鋼珠緊壓在閥座上,使單向閥關(guān)閉；只有壓力大于一閾值時(shí)，才能克服彈簧力沖開鋼珠，使彈簧單向閥流路得以暢通；當(dāng)沖擊閥泄壓時(shí)，彈簧單向閥在儲(chǔ)能罐內(nèi)的壓縮氣體、彈簧力和鋼珠重量作用下重新關(guān)閉，使支路III重新關(guān)閉。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)主回路水流速度和壓力，以及水錘脈動(dòng)的振幅和頻率，調(diào)整彈簧力和鋼珠的重量。

在本發(fā)明中，所述儲(chǔ)能罐材料為不銹鋼或塑性材料，形狀為長方體或柱狀。儲(chǔ)能罐的作用主要是控制脈動(dòng)壓力幅值，當(dāng)產(chǎn)生的高壓脈動(dòng)波通過彈簧單向閥后，一部分流體流入儲(chǔ)能罐，壓縮儲(chǔ)能罐內(nèi)的空氣，當(dāng)回路壓力下降，儲(chǔ)能罐內(nèi)被壓縮的空氣膨脹，驅(qū)動(dòng)水流重新關(guān)閉單向閥，切斷支路III。所述儲(chǔ)能罐材料為不銹鋼或塑性材料，形狀為長方體或柱狀。儲(chǔ)能罐的作用主要是控制脈動(dòng)壓力對離心泵的沖擊，使離心泵工作更穩(wěn)定。

有益效果：本發(fā)明的應(yīng)用于船舶水余熱回收系統(tǒng)的水錘沖擊波脈動(dòng)換熱裝置，通過彈簧單向閥和沖擊閥的開關(guān)，在換熱系統(tǒng)中造成水錘沖擊波，管路壓力呈現(xiàn)大振幅周期性的壓力脈動(dòng)，以使板式換熱表面的換熱性能得以大大提高，儲(chǔ)能罐作用是控制系統(tǒng)的脈動(dòng)壓力幅值，脈動(dòng)頻率則是由彈簧單向閥和沖擊閥的開關(guān)性能決定。系統(tǒng)的主要思路是應(yīng)用水錘效應(yīng)，產(chǎn)生脈動(dòng)沖擊波使板式換熱器的換熱得以強(qiáng)化同時(shí)減小換熱器體積，為船舶節(jié)省更多的利用空間，可以顯著提高換熱器換熱率減小換熱器的體積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中水錘脈動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的原理示意圖。

圖3為盤管加熱油柜的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為沖擊閥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為彈簧單向閥示意圖。

圖6為圖4中A-A剖視圖。

圖7為圖5中B-B剖視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1至圖7所示，本發(fā)明的應(yīng)用于船舶水余熱回收系統(tǒng)的水錘沖擊波脈動(dòng)換熱裝置，包含板式換熱器2，板式換熱器2一路由柴油機(jī)缸套水熱源1產(chǎn)生的熱量經(jīng)過板式換熱器2換熱，通過第一水泵3在板式換熱器2中循環(huán)換熱，另一路通過離心水泵9驅(qū)動(dòng)冷卻介質(zhì)流經(jīng)設(shè)置在主回路上的流量調(diào)節(jié)閥5、沖擊閥6進(jìn)入到板式換熱器2中吸熱，在流量調(diào)節(jié)閥5與沖擊閥6之間設(shè)有三通閥，三通閥的一個(gè)端口與彈簧單向閥7連接，彈簧單向閥7位于儲(chǔ)能罐8中，儲(chǔ)能罐材料為不銹鋼或塑性材料，形狀為長方體或柱狀，儲(chǔ)能罐8中通過支路管道與主回路連接，所述支路管道的管口截面積小于主回路的管口截面積，在主回路上設(shè)有對升溫后的冷卻介質(zhì)進(jìn)行降溫的取熱設(shè)備10，所述板式換熱器2的進(jìn)口處和取熱設(shè)備10的出口處均安裝有除氣器4，防止空化效應(yīng)損壞裝置。所述沖擊閥的閥體關(guān)緊力小于流體的最大沖擊作用力，所述彈簧單向閥7的閥體關(guān)緊力小于產(chǎn)生的最大脈動(dòng)波壓力，彈簧單向閥關(guān)緊力為沖擊閥關(guān)緊力的2倍。

在本發(fā)明中，所述沖擊閥包含進(jìn)口端、鋼制閥體63、軸65、沖擊墊片64、O型密封圈61、螺母62和出口端66，所述鋼制閥體63為空腔結(jié)構(gòu)，在鋼制閥體63上設(shè)有進(jìn)口端和出口端66，在鋼制閥體63內(nèi)設(shè)有沿鋼制閥體運(yùn)動(dòng)的軸65，在軸65上安裝有O型密封圈61和沖擊墊片64，沖擊墊片64通過安裝在軸65上的螺母62固定，流體從進(jìn)口端流入，當(dāng)流體壓力過大時(shí)，沖擊墊片64向上推動(dòng)關(guān)閉出口端，流體截止；當(dāng)流體壓力逐漸減小或流體回流時(shí)，流體作用力不足以克服沖擊墊片64的重量，沖擊墊片64與O型密封圈61分離。

在本發(fā)明中，所述彈簧單向閥包含鋼制彈簧閥體73、鋼珠72、彈簧71，鋼制彈簧閥體73設(shè)有進(jìn)口和出口，在進(jìn)口處設(shè)有鋼珠72，鋼珠72與彈簧71連接，彈簧71一端安裝在安裝板74上，安裝板74固定在鋼制彈簧閥體73的腔體內(nèi)，安裝板74上設(shè)有若干個(gè)通孔，彈簧71作用力將鋼珠72壓緊在鋼制彈簧閥體73上，切斷了單向閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的管路。流體從進(jìn)口端流入，需要一定的開啟壓力將鋼珠72推動(dòng)才能夠開啟，流體才可流通；當(dāng)流體壓力沒到到達(dá)開啟力、停止工作或流體回流時(shí)，彈簧71將鋼珠72推到入口位置形成密封，起到止回功能。

在本發(fā)明中，所述取熱設(shè)備10為盤式加熱油柜，所述盤式加熱油柜包含盤管換熱器12、油柜13，所述盤管換熱器與主回路連通，盤管換熱器位于油柜13中，盤管換熱器設(shè)有進(jìn)口流體和出口流體，進(jìn)口流體為換熱后的高溫冷卻介質(zhì)，出口流體為又一次換熱后的低溫冷卻介質(zhì)。油柜13也可以為吸收式熱泵空調(diào)系統(tǒng)、供暖、經(jīng)濟(jì)器等。

在本發(fā)明中，所述沖擊閥6的關(guān)緊力遠(yuǎn)小于彈簧單向閥7關(guān)緊力，當(dāng)冷卻介質(zhì)的流速達(dá)到一定值時(shí)，水壓迫使沖擊閥6關(guān)閉，在主回路中產(chǎn)生液壓沖擊，一定時(shí)間后，沖擊力足以打開彈簧單向閥7，將其正擴(kuò)散波作用到空氣室中，造成了脈動(dòng)，脈沖通過支路管道傳送到主回路中，在主回路中產(chǎn)生脈動(dòng)，待其正擴(kuò)散波消耗完畢轉(zhuǎn)化為負(fù)擴(kuò)散波時(shí)，沖擊閥6自動(dòng)打開，完成一次循環(huán)，往復(fù)進(jìn)行，在板式換熱器2中循環(huán)的產(chǎn)生脈動(dòng)，使板式換熱器2換熱效率大大提升，換熱后的高溫水通過離心水泵9輸送到取熱設(shè)備10處。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。