一种热管换热模块和自流冷却系统

技术领域

本发明涉及流体换热技术领域，特别涉及一种热管换热模块和自流冷却系统。

背景技术

目前船舶和海洋平台等均设置有冷却系统，其功能是将动力系统、空调和电气设备等工作过程中产生的热量导出舷外，以维持装置和设备的正常运行。出于防腐和安全性考虑，通常采用闭式循环对设备进行直接冷却，直接冷却介质通常为洁净淡水，再利用换热器将淡水热量传递至环境空气或冷却水。

相关技术中，传统的冷却系统主要包括引水口、循环泵、换热器、排出口和管路及附件等。冷却介质经引水口由循环泵增压泵入换热器，在换热器中与热源介质(闭式回路内洁净淡水)完成热量交换后排出。

但是，传统冷却系统所有设备均布置于舱内，占用大量舱室空间。冷却介质由引水口从舷外引水进入舱内，完成换热后经排出口排出舷外，导致系统管道长度增加、流阻增大，需配置循环泵对介质进行增压以克服系统阻力。如此配置的冷却系统重量较大，复杂程度较高，不利于减轻系统整体重量和提高舱室空间利用率，且将降低给定排水量下的有效负载能力。

发明内容

本发明实施例提供一种热管换热模块和自流冷却系统，以解决相关技术中冷却系统重量较大，复杂程度较高，不利于减轻系统整体重量和提高舱室空间利用率，且将降低给定排水量下的有效负载能力的问题。

第一方面，提供了一种热管换热模块和自流冷却系统，其包括：换热模块，其穿设于舱壁，所述换热模块包括互相连通的吸热部和散热部，所述吸热部位于舱内用于吸收热量，所述散热部位于舱外用于散发热量；所述换热模块还包括换热管箱，所述换热管箱套设于所述吸热部外，并将所述吸热部罩住，且所述换热管箱与所述舱壁固定，所述换热管箱设有进水口和出水口，其中，所述舱内的热源介质从所述进水口流入，并经所述吸热部冷却后从所述出水口流出。

一些实施例中，所述换热管箱设有第一连接法兰，所述舱壁设有第二连接法兰，所述第一连接法兰与所述第二连接法兰通过螺栓连接。

一些实施例中，所述换热模块还包括：多根热管，多根所述热管间隔设置，多根所述热管均穿设于所述舱壁，所述热管为封闭的管状结构，且所述热管内设有热管工质，其中，所述热管位于所述舱内的一段为蒸发段用于吸收热量，所述热管位于所述舱外的一段为冷凝段用于散发热量。

一些实施例中，所述热管的内壁上设有毛细多孔结构，且所述毛细多孔结构用于供所述热管内的热管工质从所述冷凝段回流至所述蒸发段。

一些实施例中，所述蒸发段的外壁和所述冷凝段的外壁至少一处设有肋片。

一些实施例中，所述换热管箱设有第一连接法兰，所述热管的中间位置套设有焊接套，所述焊接套穿设于所述第一连接法兰，其所述焊接套与所述第一连接法兰固定。

一些实施例中，所述热管换热模块和自流冷却系统还包括：罩壳，所述罩壳套设于所述散热部外，且所述罩壳与所述舱壁固定，所述罩壳沿船的长度方向在两端分别设有进口和出口，所述罩壳内部形成流道，水流自所述进口进入所述流道，从所述出口流出所述流道。

一些实施例中，所述进口处设有第一导流板，所述第一导流板靠近所述散热部的一端部朝向靠近所述舱壁的方向逐渐弯曲；所述出口处设有第二导流板，且所述第二导流板垂直于所述舱壁。

一些实施例中，所述出口的尺寸大于所述进口的尺寸。

一些实施例中，所述热管换热模块和自流冷却系统包括：至少两个所述换热模块，两个所述换热模块间隔穿设于所述舱壁，且相邻两个所述换热模块通过连通管串联或者并联。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种热管换热模块和自流冷却系统，由于换热模块穿设于舱壁，换热模块位于舱内的一段为吸热部可以吸收热量，换热模块位于舱外的一段为散热部可以散发热量，换热管箱位于舱内，并套设于吸热部外，换热管箱设有进水口和出水口，在船舶运行时，舱内的热源介质从进水口流入，并将热量传递给吸热部，冷却后从出水口流出，舱外的水流从换热模块的散热部流过，并且吸走热量，因此，上述热管换热模块和自流冷却系统的冷却介质管路可以布置在舱外或者不布置冷却介质管路，可以降低冷却系统的重量，降低管路的复杂程度，提高舱室空间利用率，可以提高给定排水量下的有效负载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种热管换热模块和自流冷却系统的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种热管换热模块和自流冷却系统的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种热管换热模块和自流冷却系统的换热管箱的部分剖视图；

图4为图3中A-A的截面图；

图5为本发明实施例提供的一种热管换热模块和自流冷却系统的热管的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的罩壳的结构示意图。

图中：

1、换热模块；11、热管；111、蒸发段；112、冷凝段；113、肋片；114、焊接套；115、热管工质；12、吸热部；13、散热部；2、换热管箱；21、进水口；22、出水口；3、第一连接法兰；4、舱壁；41、第二连接法兰；5、罩壳；51、进口；52、出口；53、第一导流板；54、第二导流板；6、连通管。

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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

本发明实施例提供了一种热管换热模块和自流冷却系统，其能解决相关技术中冷却系统重量较大，复杂程度较高，不利于减轻系统整体重量和提高舱室空间利用率，且将降低给定排水量下的有效负载能力的问题。

参见图1至图3所示，为本发明实施例提供的一种热管换热模块和自流冷却系统，其可以包括：换热模块1，换热模块1可以穿设于舱壁4，本实施例中，换热模块1可以穿设于船舷，换热模块1可以包括互相连通的吸热部12和散热部13，吸热部12可以位于舱内，吸热部12可以吸收舱内的热量，散热部13可以位于舱外，散热部13可以将吸热部12吸收的热量散发出去；换热模块1还可以包括换热管箱2，换热管箱2内部为空腔结构，本实施例中，换热管箱2的形状为圆柱体，其他实施例中，换热管箱2的形状可以为立方体等其他形状，换热管箱2可以套设于吸热部12外，并且换热管箱2可以将吸热部12罩住，换热管箱2可以固定于舱壁4，本实施例中，换热管箱2的一端可以焊接固定于舱壁4，其他实施例中，换热管箱2可以通过螺栓固定于舱壁4，换热管箱2可以设有进水口21和出水口22，其中，舱内的热源介质可以从进水口21流入到换热管箱2内，并经吸热部12冷却后可以从出水口22流出，吸热部12可以将热源介质的热量吸收，并经散热部13将吸收的热量散发，在船舶航行时，舱外的水流可以从散热部13流过，可以带走大量的热量，即舱外的水流可以充当冷却介质，因此，上述热管换热模块和自流冷却系统的冷却介质管路可以布置在舱外或者不布置冷却介质管路，可以降低冷却系统的重量，降低管路的复杂程度，提高舱室空间利用率，同时可以提高给定排水量下的有效负载能力。

参见图1所示，在一些实施例中，换热管箱2靠近舱壁4的一侧可以设有第一连接法兰3，第一连接法兰3的一端可以与换热管箱2固定，舱壁4靠近换热管箱2的一侧可以设有第二连接法兰41，第二连接法兰41的一端可以与舱壁4固定，第一连接法兰3的另一端可以与第二连接法兰41的另一端互相贴合，然后通过多个螺栓将第一连接法兰3和第二连接法兰41固定在一起，并且多个螺栓可以沿着第一连接法兰3的圆周方向间隔设置，第一连接法兰3可以作为换热管箱2的密封封头，具有隔绝冷却介质与热源介质的作用，即使一侧管壁发生泄漏也不会导致冷热介质直接掺混。

参见图3至图5所示，在一些实施例中，换热模块1可以包括：多根热管11，多根热管11可以间隔设置，多根热管11均可以穿设于舱壁4，本实施例中，舱内的侧壁上焊接固定有第一连接法兰3，多根热管11可以穿设于第一连接法兰3，并且多根热管11可以呈梅花桩布置，热管11内可以设有热管工质115，本实施例中，热管工质115可以是水，其他实施例中，热管工质115可以是氨，甲醇等其他热管工质115，热管11位于舱内的一段可以为蒸发段111，热管工质115最开始处于蒸发段111，蒸发段111附近受热，热管工质115气化吸收大量热量并产生蒸汽，热管11位于舱外的一段可以为冷凝段112，蒸汽流向冷凝段112并在冷凝段112散发大量的热量凝结成热管工质115，冷凝后的热管工质115回流到蒸发段111，热管工质115在热管11内完成吸热蒸发至凝结放热的循环过程，从而将热量不断地从一端传送到另一端，散热效果好，并且单根热管11失效不影响其它热管11正常工作，相较普通间壁式换热器多一道保护屏障，安全可靠性大幅提高，尤其适用于高温、高压、有毒、有害等不允许发生介质泄漏的特殊环境。蒸发段111和冷凝段112均可根据需要制成任意形状，以进一步提高空间利用率。

参见图5所示，在一些实施例中，热管11的内壁可以设有毛细多孔结构，毛细多孔结构可以供热管11内的热管工质115从冷凝段112回流至蒸发段111，毛细多孔结构可以利用热管工质115的表面张力，将热管11冷凝段112凝结的热管工质115吸入至毛细多孔结构内，并通过毛细多孔结构的管道将热管工质115送回至蒸发段111，可以避免蒸汽在传输过程中部分冷凝导致流阻增加。

参见图5所示，在一些实施例中，毛细多孔结构可以包括多个吸液芯，吸液芯可以沿热管11的长度方向设置，并且多个吸液芯可以分别设于热管11的内壁，吸液芯可以供冷凝段112凝结的热管工质115回流至蒸发段111，其他实施例中，毛细多孔结构可以在热管11的内壁上，沿热管11的长度方向开设拉槽，拉槽可以供冷凝段112凝结的热管工质115回流至蒸发段111，通过上述结构可以方便热管工质115回流。

参见图5所示，在一些实施例中，蒸发段111的外壁和冷凝段112的外壁至少一处设有肋片113，本实施例中，可以在蒸发段111设置多个肋片113，多个肋片113可以是间隔设置的，肋片113可以扩展蒸发段111的表面积，增加蒸发段111的换热能力，其他实施例中，可以在冷凝段112的外壁上设有多个肋片113，或者同时在蒸发段111和冷凝段112的外壁上设置肋片113，增加热管11的表面积，提高热管11的换热能力。

参见图3至图5所示，在一些实施例中，舱壁4上可以开设孔，舱壁4上的开孔处可以设有第二连接法兰41，换热管箱靠近第二连接法兰41的一侧可以设有第一连接法兰3，热管11的中间位置可以套设有焊接套114，焊接套114穿设于第一连接法兰3和第二连接法兰41，并且焊接套114可以分别与第一连接法兰3和第二连接法兰41焊接固定，使热管11固定于第一连接法兰3和第二连接法兰41，上述结构可以使热管11安装得更稳定。

参见图1、图2和图6所示，在一些实施例中，热管换热模块和自流冷却系统还可以包括罩壳5，罩壳5可以位于舱外，罩壳5可以套设于散热部13外，并且罩壳5可以与舱壁4固定，罩壳5可以对换热模块1起到保护作用，罩壳5可以沿船的长度方向在两端分别设有进口51和出口52，罩壳5的外形可以呈流线型，可以减少水流的阻力，罩壳5的内部可以形成流道，在船舶航行时，水流可以从进口51流入罩壳5内部的流道外掠冷凝段112，从出口52流出流道并且带走冷凝段112的热量，可以保障水流顺利流过散热部13。

参见图6所示，在一些实施例中，罩壳5的进口51处可以设有第一导流板53，可以沿垂直于舱壁4的方向间隔设置多个第一导流板53，第一导流板53可以采用长度规格不一样的第一导流板53搭配使用的方式，还可以根据散热部13的管束形状尺寸设置第一导流板53的尺寸，考虑边界层内的流速沿垂直舱壁4并且朝向远离舱壁4的方向逐渐增大，第一导流板53靠近散热部13的一端部可以朝向靠近舱壁4的方向逐渐弯曲，以保证水流集中外掠散热部13的管束，并且使水流的流速均匀，第一导流板53可以根据运行需求进行流体动力学优化设计，以保证热管换热模块和自流冷却系统具有较高的自流转化效率，使得通过冷凝段112管束的水流具有较高的流速，出口52处可以设有第二导流板54，并且第二导流板54可以垂直于舱壁，设置第二导流板54可以避免产生内部涡流。

参见图6所示，在一些实施例中，进口51的形状可以呈椭圆形，并且椭圆较长的轴线可以垂直于舱壁4，进口51处可以设有格栅，以防止异物进入罩壳5内，出口52的截面积尺寸可以大于进口51的截面积尺寸，本实施例中，出口52的截面积尺寸为进口51的截面积尺寸的两倍，其他实施例中，可以是其他的尺寸比例，以使流体动能恢复为压力能，利于流体排出并避免外部流体回流。

在一些实施例中，罩壳5内可以填充浮力材料，浮力材料可以是固体浮力材料，可以减轻热管换热模块和自流冷却系统的湿重，或者还可以提供部分浮力。

参见图2所示，在一些实施例中，热管换热模块和自流冷却系统还可以包括：至少两个换热模块1，两个换热模块1可以间隔穿设于舱壁4，相邻的两个换热模块1可以通过连通管6串联，即连通管6的一端可以与一个换热模块1的出水口22连通，连通管6的另一端可以与另一个换热模块1的进水口21连通，其他实施例中，相邻的两个换热模块1也可以并联，通过设置两个换热模块1可以增加热管换热模块和自流冷却系统的换热能力。

本发明实施例提供的一种热管换热模块和自流冷却系统原理为：

由于换热模块1可以包括多根热管11，多根热管11均可以穿设于舱壁4，热管11内可以设有热管工质115，热管11位于舱内的一段为蒸发段111可以吸收热量，热管11位于舱外的一段为冷凝段112可以散发热量，换热管箱2位于舱内，并套设于换热模块1外，换热管箱2设有进水口21和出水口22，在船舶运行时，舱内的热源介质从进水口21流入，并经过热管11的蒸发段111，蒸发段111附近受热，热管工质115气化吸收大量热量并产生蒸汽，蒸汽流向冷凝段112，舱外的水流从冷凝段112流过，蒸汽在冷凝段112将热量传递给水流，蒸汽散发大量热量后凝结成热管工质115，冷凝后的热管工质115回流到蒸发段111，热管工质115在热管11内完成吸热蒸发至凝结放热的循环过程，从而将热量不断地从一端传送到另一端，因此，上述热管换热模块和自流冷却系统的冷却介质管路可以布置在舱外或者不布置冷却介质管路，可以降低冷却系统的重量，降低管路的复杂程度，提高舱室空间利用率，可以提高给定排水量下的有效负载能力。

由于热管换热模块和自流冷却系统利用船舶航行时与舷外流体的相对运动，实现冷却介质外掠冷凝段112的管束，因此，无需设置泵源驱动强迫冷却介质流动，消除振动噪声源，从而实现节能降噪。同时，热管换热模块和自流冷却系统取消循环泵和进出舱管路附件，减轻系统重量，以及无需设置泵源等转动部件，有效降低发生故障的可能性。

由于热管换热模块和自流冷却系统采用模块设计，单个换热模块1可作为独立设备制造和装配，结构紧凑，充分保证承压和密封性能，且有利于加工制造和精度控制。同时具有可扩展性，可根据需求分组并列布置。蒸发段111和冷凝段112均可根据需要制成任意形状，以提高空间利用率。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。