液壓系統(tǒng)熱能回收技術(shù)在船舶上的應(yīng)用

重慶交通大學(xué)航海學(xué)院 韓雪峰 彭中波

一、引 言

經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展已變成全球所有國家的共識(shí)，聯(lián)合國為此也呼吁全世界每個(gè)國家都要重視發(fā)展節(jié)能型經(jīng)濟(jì)。近些年，我國的造船業(yè)和國家整體經(jīng)濟(jì)形勢(shì)一樣，發(fā)展很快，形勢(shì)喜人，產(chǎn)品有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但要獲得長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)力，必須從戰(zhàn)略上重視節(jié)能技術(shù)的研究和開發(fā)。船舶是能源消耗非常大的運(yùn)輸工具，高能耗一方面使船舶運(yùn)行成本很高，另一方面船舶運(yùn)行也給環(huán)境帶來了很大的壓力。因此，如何有效降低能耗，是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又重大的課題。本文主要從液壓系統(tǒng)熱能回收技術(shù)方面進(jìn)行船舶液壓系統(tǒng)節(jié)能研究。

二、節(jié)能型的油溫控制系統(tǒng)

船舶液壓系統(tǒng)的流體不僅具有運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞作用，還有進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻的作用。但是油液也容易因此吸收大量熱量使溫度迅速上升，由于溫度的變化對(duì)油液動(dòng)力粘度和潤(rùn)滑性影響很大，是系統(tǒng)正常高效運(yùn)行的重要影響因素，因此溫度的變化對(duì)液壓系統(tǒng)的性能有重大影響。

油溫的控制主要分為加熱和冷卻兩個(gè)方面，如上所述的情況，油液在吸收了大量的熱能之后需要采取冷卻措施，否則不僅會(huì)對(duì)油液自身的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，高溫高熱也會(huì)對(duì)重要零部件的形變有所影響；而當(dāng)液壓系統(tǒng)處于剛啟動(dòng)或者冬季氣溫較低時(shí)，油液則需要預(yù)熱或者加熱后才能進(jìn)行使用。

傳統(tǒng)的加熱方式是在油箱中放置安裝一個(gè)電加熱管，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但一個(gè)明顯缺陷是加熱管附近的油液易產(chǎn)生局部過熱，使油液變質(zhì)而嚴(yán)重影響使用性能，而其余地方受熱效果卻不明顯。當(dāng)油液溫度偏高時(shí)，傳統(tǒng)的冷卻方式是采用冷卻器進(jìn)行水冷或采用風(fēng)扇將熱量排放到空氣中（風(fēng)冷），如圖1 所示。

圖1.傳統(tǒng)油溫

這種方式的主要問題是能量流失嚴(yán)重，液壓系統(tǒng)做功大量的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使液壓油溫度升高，直接的風(fēng)冷使能量白白流失于周圍的環(huán)境。如果能將這部分能量進(jìn)行回收再利用，將提高船舶液壓系統(tǒng)的能量利用率，對(duì)節(jié)能減排起到重要作用。

從提高能量利用率的角度考慮船舶液壓系統(tǒng)溫度控制方法，需要解決的問題是首先需要滿足油液的冷卻和預(yù)熱的問題，解決原有加熱部分局部過熱和冷卻方法效率低下的問題，然后是將隨風(fēng)流失部分的熱能進(jìn)行回收和再利用。

鑒于上述情況，對(duì)原有的溫度控制循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改變?yōu)橐环N節(jié)能型的油溫控制系統(tǒng)，其原理如圖2所示。

圖2 冷卻模式結(jié)構(gòu)示意圖

在結(jié)構(gòu)方面，為了避免原來加熱管的局部過熱性問題，采用如圖2中的熱交換管，薄壁的螺旋形熱交換結(jié)構(gòu)大大增加了換熱面的接觸面積和管道內(nèi)液體的湍流作用，提高了熱交換效率；而蓄熱裝置的增加和運(yùn)用則可以將熱水的高熱量換存起來，使熱能得以回收而不是隨風(fēng)排向外界環(huán)境浪費(fèi)；選用了三個(gè)換向閥，通過與控制中心的配合，可以實(shí)現(xiàn)冷卻模式油液熱量的回收和預(yù)熱模式油液使用前的預(yù)熱的切換。管道內(nèi)換熱用水的流速和時(shí)間由各傳感器提供信號(hào)并與控制中心進(jìn)行配合完成。圖2中流體的流向充分應(yīng)用了逆流換熱的原理，逆流是冷熱流體之間流動(dòng)的方向相反，工作時(shí)管道外的油液由出口向入口流動(dòng)，管道中的冷卻水則是從液壓系統(tǒng)的入口向出口處流動(dòng)，這樣逆向的流動(dòng)平均溫差較大，在傳熱面積一定的條件下可以傳遞更多的熱量。

圖3是油液溫度過高時(shí)執(zhí)行冷卻模式的示意圖，首先由溫度傳感器測(cè)出油液溫度并進(jìn)行數(shù)顯反饋到控制處理中心，若溫度偏高，冷卻模式電機(jī)啟動(dòng)讓水從左邊的入口進(jìn)入，進(jìn)行熱交換完畢之后從右邊出口排出，水中帶有大量的熱能通過蓄熱交換裝置的吸收暫存起來，失去熱量的冷卻水返回水箱。

相反，當(dāng)油液需要預(yù)熱或加熱的時(shí)候，系統(tǒng)的方向控制閥4、13、14 進(jìn)行換向，進(jìn)入熱模式工作，溫度相對(duì)較低的水通過蓄熱器換出熱量，溫度上升后進(jìn)入熱交換器中，對(duì)溫度相對(duì)較低的油液進(jìn)行預(yù)熱，通過熱傳遞后的冷卻水通過方向控制閥14 回到水箱作下一次循環(huán)用。這種模式是上一種冷卻模式的切換，是由各控制閥體的有效切換配合進(jìn)行的。由兩種模式的工作過程可見，整個(gè)過程中冷卻水的控制比較關(guān)鍵，因?yàn)闇囟鹊目刂七^程中常出現(xiàn)的問題是控制調(diào)節(jié)的滯后性。為了把握好換熱過程中水的流動(dòng)速度和流通時(shí)間，采用如圖4所示的控制方案：冷卻水流速的控制是通過PID控制器控制變頻電機(jī)調(diào)節(jié)泵的流量來實(shí)現(xiàn)的，安裝在油箱的溫度傳感器測(cè)出油液的溫度，并反饋回來與設(shè)定需求的目標(biāo)溫度值進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)生溫差信號(hào)△C和溫差變化率信號(hào)C’作為輸入，通過推理系統(tǒng)對(duì)PID控制參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行整定，從而通過PID 控制器調(diào)節(jié)泵的排水量，使其有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

圖3 熱模式結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 溫度控制方案框圖

圖5 溫度變化趨勢(shì)圖

冷卻水流動(dòng)時(shí)間的控制是通過反饋回來的溫度信號(hào)綜合溫差交換效率的情況確定冷卻水開啟和關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)tA、tB、tC、tD…。當(dāng)實(shí)際溫度到達(dá)某點(diǎn)時(shí)，溫度控制器就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，控制冷卻水的通斷。溫度隨控制過程的變化趨勢(shì)如系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)油液需要預(yù)熱，進(jìn)入熱模式使油液溫度升高，當(dāng)達(dá)到具有最佳性能的溫度Tb時(shí)，該模式停止。由于系統(tǒng)內(nèi)摩擦和功率損耗等因素，轉(zhuǎn)化成的熱能使溫度繼續(xù)上升，為避免超過溫度上限Th，在A點(diǎn)啟動(dòng)冷卻模式。當(dāng)溫度降至B點(diǎn)時(shí)停止冷卻，系統(tǒng)溫度停止下降，直到下一個(gè)冷卻時(shí)間點(diǎn)C到來時(shí)再啟動(dòng)電機(jī)。這樣系統(tǒng)的油溫便可維持在最佳范圍內(nèi)，使工作過程中的油液具有最佳的粘度和使用性能。

三、結(jié) 論

液壓系統(tǒng)溫度控制和熱能回收技術(shù)克服了原有系統(tǒng)加熱和冷卻方法的弱點(diǎn)，并對(duì)因傳統(tǒng)方法流失部分的熱能進(jìn)行回收再利用，達(dá)到了節(jié)能的目的，同時(shí)溫度的實(shí)時(shí)控制也使油液保持在一個(gè)相對(duì)良好工作的溫度范圍內(nèi)。

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