用于深海载人平台的热能管理系统及淡水循环供暖方法与流程

1.本发明涉及深海载人热能管理系统技术领域，尤其是一种用于深海载人平台的热能管理系统及淡水循环供暖方法。


背景技术：

2.载人深潜器因自持力有限，水下探测时间一般不超过12小时，只需在舱内敷设较厚的隔热材料即可确保深潜期间舱室温度不低于10℃，对人员舒适性影响有限。潜艇正常工作深度为50～200m，对应海水温度14～23℃，通过空调装置调节舱室温度至18～27℃，人体温度舒适度较高。深海载人平台相对载人深潜器具有更长的自持力要求(15～20天)，相对潜艇具有更低的海水温度(2～6℃)；
3.传统水下载人平台空调及冷却系统如图1所示，其功能相互独立，分别用于舱室温度调节及设备冷却。
4.冷却系统包括淡水循环系统1和海水冷却系统，淡水循环系统1通过淡水泵11循环冷却淡水，将水冷设备12产生的热量输送至海水-淡水换热器24，温控三通阀通过调节旁通开度控制水冷设备12进出口温度，膨胀水箱14用于平衡系统压力波动。海水冷却系统通过海水泵23将舷外海水输送至海水-淡水换热器24冷却高温淡水，穿舱件21用于连通舷外海水与舱内环境，舷侧阀22用于控制海水管路通断。空调系统3主机根据温控要求将空气温度调节至设定值，并经送风管路32从各送风口33进入舱室调节环境温度。传统水下载人平台空调及冷却系统虽然能够实现舱内温度调节及设备冷却功能，但在深海领域应用存在如下2点不足：
5.(1)能源综合利用率低。上述系统一方面将舱内设备热负荷排出舱室，一方面利用空调加热系统维持载人舱温度适宜，严重影响深海载人平台的自持力指标。
6.(2)系统安全可靠性低。系统通过高压海水进舱的方式实现冷却换热，随着下潜深度变深，进舱海水压力增加，一旦设备、管路破损或泄露，高压海水进载人舱，直接威胁舱内人员生命安全。


技术实现要素：

7.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于深海载人平台的热能管理系统及淡水循环供暖方法，将水冷设备冷却后产生的高温淡水用于载人舱室供暖，并设计取代通海冷却系统的水舱换热方案，从而提高深海载人平台的能源综合利用率，并提高系统的安全可靠性。
8.本发明所采用的技术方案如下：
9.一种用于深海载人平台的热能管理系统，包括淡水循环系统和改良式全站供暖系统，
10.所述淡水循环系统包括依次首尾连接的淡水泵、水冷设备、管壳式换热器、第一温控三通阀，第一温控三通阀的输出端连接淡水泵、换热水舱，
11.所述改良式全站供暖系统包括依次首尾连接的电热水锅炉、热水泵、第二温控三通阀，第二温控三通阀的输出端连接至管壳式换热器上，管壳式换热器的输出端连接有暖气片，第二温控三通阀的另一支路与暖气片连通；暖气片的输出端连接至电热水锅炉。
12.作为上述技术方案的进一步改进：
13.管壳式换热器中分为两条支路，分别为管程支路、壳程支路。
14.管程支路的输入端为水冷设备，输出端为第一温控三通阀。
15.壳程支路的输入端为第二温控三通阀，输出端为暖气片。
16.所述管壳式换热器的壳程支路用作暖气片所在循环路径的并联流量调节支路。
17.所述水冷设备在淡水循环系统中为被冷却对象，在改良式全站供暖系统中为热源之一。
18.第一温控三通阀、换热水舱、淡水泵形成旁通流量调节回路，换热水舱并联于第一温控三通阀和淡水泵之间的管路上。
19.所述换热水舱为环形结构，内置加强肋骨、导流板。
20.暖气片布置在深海载人平台的人员活动区域。
21.一种用于深海载人平台的热能管理系统的淡水循环供暖方法，包括如下步骤：
22.平台航行在水面及浅水区，海水环境温度较高，载人舱供热需求较低；随着水冷设备投入使用，开启淡水泵和热水泵，将第一温控三通阀旁通开度调至100％，第二温控三通阀旁通开度调至0，通过全站供暖系统冷却水冷设备，并加热全站供暖系统内淡水；
23.平台在冬季低温环境运行，启用电热水锅炉，同时加热全站供暖系统淡水，缩短升温时间；
24.在全站供暖系统内淡水达到设定温度后，系统通过调节温控三通阀开度及电热水锅炉功率实现系统平稳运行，具体操作如下：当全站供暖系统内淡水温度过高时，关闭电热水锅炉，增加第二温控三通阀旁通开度，降低管壳式换热器向全站供暖系统传热，同时，减少第一温控三通阀旁通开度，提高换热水舱对设备的冷却；
25.当全站供暖系统内淡水温度过低时，减少第二温控三通阀旁通开度，提高管壳式换热器向全站供暖系统传热，同时，增加第一温控三通阀旁通开度，降低换热水舱对设备的冷却，如第一、第二温控三通阀旁通开度分别调至100％和0后温度仍未达到设定温度，开启电热水锅炉，并调节锅炉功率进行系统辅助加热，以上过程采用全自动控制。
26.本发明的有益效果如下：
27.本发明结构紧凑、合理，操作方便，充分利用水冷设备产生的热量，为深海载人平台提供温度适宜的舱室环境。取消常规方案中的海水-淡水换热器、舷侧阀、海水泵等高压穿舱、通海设备，通过换热水舱实现不穿舱冷却换热，提高平台及系统固有安全性和可靠性，降低系统噪声及热辐射，提高平台隐蔽性。
28.本发明中的管壳式换热器替换掉常规的海水-淡水换热器后，同时具备管程支路和壳程支路两条流动路径，其中壳程支路为管程支路的旁通流量支路，起到流量调节的作用，控制暖气片的入口温度，防止暖气片温度过高而造成人员灼伤的问题。
29.本发明中的换热水舱采用环形设计，借助原有耐压壳体及内肋骨结构，通过设置导流板及流水孔实现淡水有序流动，并与舷外海水对流换热实现淡水冷却。这种先通过淡水导流控制流量、再用对流换热的方式相较于常规方案的海水-淡水换热器结构，无需承担
外界高压海水入舱的压力风险，避免了高压造成管路破损带来的安全隐患。
30.此外，本发明中的换热水舱替代膨胀水箱，能够用于平衡淡水循环系统压力波动。
31.本发明中的热负荷不用排出舱外，直接在舱内进行热交换，尽量减少了能量消耗或流失，有利于达到深海载人平台的自持力指标。
附图说明
32.图1为传统水下载人平台空调及冷却系统原理图。
33.图2为本发明的流程框图。
34.图3本发明的深海载人平台热能管理系统原理图。
35.其中：1、淡水循环系统；2、常规全站供暖系统；3、空调系统；4、改良式全站供暖系统；11、淡水泵；12、水冷设备；13、第一温控三通阀；14、膨胀水箱；15、管壳式换热器；16、换热水舱；
36.21、穿舱件；22、舷侧阀；23、海水泵；24、海水-淡水换热器；
37.31、空调主机；32、送风管路；33、送风口；41、热水泵；42、暖气片；43、第二温控三通阀；44、电热水锅炉。
具体实施方式
38.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
39.如图2-图3所示，本实施例的用于深海载人平台的热能管理系统，包括淡水循环系统1和改良式全站供暖系统4，
40.淡水循环系统1包括依次首尾连接的淡水泵11、水冷设备12、管壳式换热器15、第一温控三通阀13，第一温控三通阀13的输出端连接淡水泵11、换热水舱16，
41.改良式全站供暖系统4包括依次首尾连接的电热水锅炉44、热水泵41、第二温控三通阀43，第二温控三通阀43的输出端连接至管壳式换热器15上，管壳式换热器15的输出端连接有暖气片42，第二温控三通阀43的另一支路与暖气片42连通；暖气片42的输出端连接至电热水锅炉44。
42.管壳式换热器15中分为两条支路，分别为管程支路、壳程支路。
43.管程支路的输入端为水冷设备12，输出端为第一温控三通阀13。
44.壳程支路的输入端为第二温控三通阀43，输出端为暖气片42。
45.管壳式换热器15的壳程支路用作暖气片42所在循环路径的并联流量调节支路。
46.水冷设备12在淡水循环系统1中为被冷却对象，在改良式全站供暖系统4中为热源之一。
47.第一温控三通阀13、换热水舱16、淡水泵11形成旁通流量调节回路，换热水舱16并联于第一温控三通阀13和淡水泵11之间的管路上。
48.换热水舱16为环形结构，内置加强肋骨、导流板。
49.暖气片42布置在深海载人平台的人员活动区域。
50.本实施例的用于深海载人平台的热能管理系统的淡水循环供暖方法，包括如下步骤：
51.平台航行在水面及浅水区，海水环境温度较高，载人舱供热需求较低；随着水冷设
备12投入使用，开启淡水泵11和热水泵41，将第一温控三通阀13旁通开度调至100％，第二温控三通阀43旁通开度调至0，通过全站供暖系统冷却水冷设备12，并加热全站供暖系统内淡水；
52.平台在冬季低温环境运行，启用电热水锅炉44，同时加热全站供暖系统淡水，缩短升温时间；
53.在全站供暖系统内淡水达到设定温度后，系统通过调节温控三通阀开度及电热水锅炉44功率实现系统平稳运行，具体操作如下：当全站供暖系统内淡水温度过高时，关闭电热水锅炉44，增加第二温控三通阀43旁通开度，降低管壳式换热器15向全站供暖系统传热，同时，减少第一温控三通阀13旁通开度，提高换热水舱16对设备的冷却；
54.当全站供暖系统内淡水温度过低时，减少第二温控三通阀43旁通开度，提高管壳式换热器15向全站供暖系统传热，同时，增加第一温控三通阀13旁通开度，降低换热水舱16对设备的冷却，如第一、第二温控三通阀43旁通开度分别调至100％和0后温度仍未达到设定温度，开启电热水锅炉44，并调节锅炉功率进行系统辅助加热，以上过程采用全自动控制。
55.本实施案例的一种用于深海载人平台的热能管理系统，包括淡水循环系统1和改良式全站供暖系统4，淡水循环系统1与改良式全站供暖系统4交汇于管壳式换热器15。
56.淡水循环系统1的结构为：包括淡水泵11，淡水泵11输入端分别与换热水舱16输出端、第一温控三通阀13旁通端连接，输出端与水冷设备12输入端连接，用于驱动系统淡水循环。
57.水冷设备12输入端与淡水泵11连接，输出端与管壳式换热器15连接，为一系列并联的发热设备，在淡水循环系统1中作为被冷却对象，在改良式全站供暖系统4作为系统热源之一。
58.管壳式换热器15管程输入端与水冷设备12连接，输出端与第一温控三通阀13连接，壳程输入端与第二温控三通阀43连接，输出端与暖气片42连接，用于实现淡水循环系统1向改良式全站供暖系统4的对流传热。
59.第一温控三通阀13输入端与管壳式换热器15管程输出端连接，输出端分别与换热水舱16、淡水泵11输入端连接，通过旁通流量调节，实现水冷设备12入口温度控制。
60.换热水舱16输入端与第一温控三通阀13输出端连接，输出端与淡水泵11输入端连接。换热水舱16采用环形设计，借助原有耐压壳体及内肋骨结构，通过设置导流板及流水孔实现淡水有序流动，并与舷外海水对流换热实现淡水冷却。此外，换热水舱16替代膨胀水箱用于平衡淡水循环系统1压力波动。
61.改良式全站供暖系统4的结构为：包括热水泵41，热水泵41输入端与电热水锅炉44连接，输出端与第二温控三通阀43连接，用于驱动系统热水循环。
62.第二温控三通阀43输入端与热水泵41连接，输出端分别与管壳式换热器15、暖气片42连接，通过旁通流量调节，实现暖气片42入口温度控制，防止暖气片42温度过高造成人员灼伤。
63.所述暖气片42输入端分别与第二温控三通阀43旁通端、管壳式换热器15连接，输出端与串联的其他暖气片42或热水锅炉44连接，一般布置在人员主要活动区域，通过与暖气片42周围空气对流换热实现舱室环境温度控制。
64.电热水锅炉44输入端与暖气片42连接，输出端与热水泵41连接，用于改良式全站供暖系统4辅助加热，并替代膨胀水箱用于平衡改良式全站供暖系统4压力波动。
65.本实施例的一种用于深海载人平台的热能管理系统的使用方法，包括如下步骤：
66.第一步：在平台运行初期，平台航行在水面及浅水区，海水环境温度较高，载人舱供热需求较低。随着水冷设备投入使用，开启淡水泵11和热水泵41，将第一温控三通阀13旁通开度调至100％，第二温控三通阀43旁通开度调至0，通过改良式全站供暖系统4冷却水冷设备12，并加热改良式全站供暖系统4内淡水。如平台在冬季低温环境运行，为提高人员舒适性，可通过电热水锅炉44同时加热改良式全站供暖系统4淡水，缩短升温时间。
67.第二步：在改良式全站供暖系统4内淡水达到设定温度后，系统通过调节温控三通阀13、43开度及电热水锅炉44功率实现系统平稳运行，具体操作如下：当改良式全站供暖系统4内淡水温度过高时，关闭电热水锅炉44，增加第二温控三通阀43旁通开度，降低管壳式换热器15向改良式全站供暖系统4传热，同时，减少第一温控三通阀13旁通开度，提高换热水舱16对设备的冷却。当改良式全站供暖系统4内淡水温度过低时，减少第二温控三通阀43旁通开度，提高管壳式换热器15向改良式全站供暖系统4传热，同时，增加第一温控三通阀13旁通开度，降低换热水舱16对设备的冷却，如第一、第二温控三通阀13、43旁通开度分别调至100％和0后温度仍未达到设定温度，开启电热水锅炉44，并调节锅炉功率进行系统辅助加热，以上过程可采用全自动控制。
68.本发明设计巧妙、新颖，操作方便，充分利用水冷设备产生的热量，为深海载人平台提供温度适宜的舱室环境。取消海水-淡水换热器、舷侧阀、海水泵等高压穿舱、通海设备，通过换热水舱实现不穿舱冷却换热，提高平台及系统固有安全性和可靠性，降低系统噪声及热辐射，提高平台隐蔽性。
69.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：包括淡水循环系统(1)和改良式全站供暖系统(4)，所述淡水循环系统(1)包括依次首尾连接的淡水泵(11)、水冷设备(12)、管壳式换热器(15)、第一温控三通阀(13)，第一温控三通阀(13)的输出端连接淡水泵(11)、换热水舱(16)，所述改良式全站供暖系统(4)包括依次首尾连接的电热水锅炉(44)、热水泵(41)、第二温控三通阀(43)，第二温控三通阀(43)的输出端连接至管壳式换热器(15)上，管壳式换热器(15)的输出端连接有暖气片(42)，第二温控三通阀(43)的另一支路与暖气片(42)连通；暖气片(42)的输出端连接至电热水锅炉(44)。2.如权利要求1所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：管壳式换热器(15)中分为两条支路，分别为管程支路、壳程支路。3.如权利要求2所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：管程支路的输入端为水冷设备(12)，输出端为第一温控三通阀(13)。4.如权利要求2所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：壳程支路的输入端为第二温控三通阀(43)，输出端为暖气片(42)。5.如权利要求1所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：所述管壳式换热器(15)的壳程支路用作暖气片(42)所在循环路径的并联流量调节支路。6.如权利要求5所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：所述水冷设备(12)在淡水循环系统(1)中为被冷却对象，在改良式全站供暖系统(4)中为热源之一。7.如权利要求1所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：第一温控三通阀(13)、换热水舱(16)、淡水泵(11)形成旁通流量调节回路，换热水舱(16)并联于第一温控三通阀(13)和淡水泵(11)之间的管路上。8.如权利要求1所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：所述换热水舱(16)为环形结构，内置加强肋骨、导流板。9.如权利要求1所述的用于深海载人平台的热能管理系统，其特征在于：暖气片(42)布置在深海载人平台的人员活动区域。10.一种权利要求1所述的用于深海载人平台的热能管理系统的淡水循环供暖方法，其特征在于，包括如下步骤：平台航行在水面及浅水区，海水环境温度较高，载人舱供热需求较低；随着水冷设备(12)投入使用，开启淡水泵(11)和热水泵(41)，将第一温控三通阀(13)旁通开度调至100％，第二温控三通阀(43)旁通开度调至0，通过全站供暖系统冷却水冷设备(12)，并加热全站供暖系统内淡水；平台在冬季低温环境运行，启用电热水锅炉(44)，同时加热全站供暖系统淡水，缩短升温时间；在全站供暖系统内淡水达到设定温度后，系统通过调节温控三通阀开度及电热水锅炉(44)功率实现系统平稳运行，具体操作如下：当全站供暖系统内淡水温度过高时，关闭电热水锅炉(44)，增加第二温控三通阀(43)旁通开度，降低管壳式换热器(15)向全站供暖系统传热，同时，减少第一温控三通阀(13)旁通开度，提高换热水舱(16)对设备的冷却；当全站供暖系统内淡水温度过低时，减少第二温控三通阀(43)旁通开度，提高管壳式
换热器(15)向全站供暖系统传热，同时，增加第一温控三通阀(13)旁通开度，降低换热水舱(16)对设备的冷却，如第一、第二温控三通阀(43)旁通开度分别调至100％和0后温度仍未达到设定温度，开启电热水锅炉(44)，并调节锅炉功率进行系统辅助加热，以上过程采用全自动控制。

技术总结
本发明涉及一种用于深海载人平台的热能管理系统及淡水循环供暖方法，包括淡水循环系统和改良式全站供暖系统，所述淡水循环系统包括依次首尾连接的淡水泵、水冷设备、管壳式换热器、第一温控三通阀，第一温控三通阀的输出端连接淡水泵、换热水舱，所述改良式全站供暖系统包括依次首尾连接的电热水锅炉、热水泵、第二温控三通阀，第二温控三通阀的输出端连接至管壳式换热器上，管壳式换热器的输出端连接有暖气片，第二温控三通阀的另一支路与暖气片连通；暖气片的输出端连接至电热水锅炉。将水冷设备冷却后产生的高温淡水用于载人舱室供暖，并设计取代通海冷却系统的水舱换热方案，从而提高深海载人平台的能源综合利用率，提高系统的安全可靠性。系统的安全可靠性。系统的安全可靠性。


技术研发人员：夏彬 陈康
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/6/28