УСТРОЙСТВО РЕКУПЕРАЦИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА ДЛЯ АРКТИЧЕСКИХ СУДОВ И АРКТИЧЕСКОЕ СУДНО, СОДЕРЖАЩЕЕ ЕГО
WASTE HEAT RECOVERY DEVICE FOR ARCTIC VESSELS AND AN ARCTIC VESSEL CONTAINING IT

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по корейской патентной заявке 10-2018-0141009, поданной 15.11.2018 г. в Корейское ведомство интеллектуальной собственности, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к устройству рекуперации отходящего тепла для арктических судов и арктическому судно, содержащему его, и, в частности, к устройству рекуперации отходящего тепла для арктических судов, которое рекуперирует тепло для нагрева воздуха, вводимого снаружи арктического судна, с использованием рекуперированного отходящего тепла, и арктическому судну, содержащему его.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] В связи с потерей арктического морского льда из-за глобального потепления возрастает интерес к северо-восточному маршруту вблизи России и северо-западному маршруту вблизи Канады.
[0004] Поскольку Арктика богата природными ресурсами, а также известна как новое развивающееся туристическое направление, активно разрабатываются арктические морские маршруты для экскурсионных поездок и транспортировок и поставок нефти из арктических нефтяных месторождений.
[0005] В частности, страны, расположенные вблизи Северного Ледовитого океана, включая Соединенные Штаты Америки, Канаду, Россию, Данию, Норвегию и т.д., проводят ведущие исследования по развитию арктических морских маршрутов, которые содержат приблизительно 25% мировых природных ресурсов, а также сокращают время и расстояние перевозки на 30% по сравнению с существующими морскими маршрутами.
[0006] В соответствии с данными, опубликованными исследователями США и Канады, предполагается, что текущее движение судов по арктическим морским маршрутам к 2030 г. достигнет 2% от мировых судовых перевозок, а к 2050 г. - 5%. Однако вероятно, что из-за глобального потепления открытие арктических морских маршрутов будет ускорено.
[0007] В отличие от обычных вод, полярные воды имеют специфику, состоящую в окружающей среде ледяного щита, и, таким образом, требуют такой подход, который учитывает риски, связанные с окружающей средой, независимо от исследований и разработки материалов деталей. В частности, для судов, эксплуатируемых в Северном Ледовитом океане, которые подвергаются большим потенциальным рискам, чем суда, эксплуатируемые в обычных водах, безопасная работа является критичной.
[0008] В частности, трудности в развитии полярных областей вызывают их условия окружающей среды, такие как средняя температура атмосферы, равная приблизительно -52°С, жесткая солнечная радиация и айсберги.
[0009] Для плавания в областях с холодным климатом, таких как полярные области, для предупреждения замерзания конструкций, подверженных воздействию холодной атмосферы, требуется система нагрева воздуха. В частности, поскольку конструкции судна, такие как двери и крышки люков, при замерзании могут работать неисправно или находиться в нерабочем состоянии, для непрерывной работы таких конструкций необходима система нагрева воздуха.
[0010] В общем, суда, эксплуатируемые в холодных областях, таких как полярные области, для поддержания температуры воздуха выше минимального уровня, требуемого для работы устройств, в каждой своей секции оборудованы нагревателем (обогревателем помещения), выполненным с возможностью подъема температуры воздуха в этой секции с использованием горячей среды, такой как термальное масло или пар.
[0011] При использовании термального масла для нагрева подаваемого снаружи воздуха необходимо, чтобы связанные компоненты и оборудование имели большую мощность, а также необходимы высокие затраты для установки и эксплуатации. Следовательно, существует потребность в решении этой проблемы.
[0012] В этом разделе предоставлены сведения общего характера, относящиеся к настоящему раскрытию, которые не обязательно являются предшествующим уровнем техники.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложено устройство рекуперации отходящего тепла для арктических судов, которое рекуперирует тепло, создаваемое во время сжигания, для нагрева воздуха, вводимого снаружи арктического судна, с использованием рекуперированного отходящего тепла и для подачи нагретого воздуха во внутреннюю часть судна, что тем самым улучшает его энергоэффективность, и обеспечивает возможность уменьшения мощности воздухонагревателя, что тем самым уменьшает затраты и пространство для установки для связанных компонентов, и арктическому судну, содержащему его.
[0014] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения устройство рекуперации отходящего тепла для арктических судов содержит: воздухонагреватель, выполненный с возможностью нагрева наружного воздуха, подлежащего подаче на судно, причем воздухонагреватель содержит: корпус воздухонагревателя, имеющий внутреннее пространство, через которое проходит наружный воздух, подлежащий нагреву посредством теплообмена; и трубный пучок, расположенный в корпусе воздухонагревателя и выполненный с обеспечением возможности протекания через него горячего выхлопного газа, создаваемого на судне, при этом трубный пучок содержит трубчатую трубку и ребристую трубку с прикрепленными к ней ребристыми элементами, а трубчатая трубка и ребристая трубка расположены смешанным образом с обеспечением возможности уменьшения потери давления, обусловленной скоростью потока выхлопного газа.
[0015] Трубчатая трубка может иметь больший диаметр, чем ребристая трубка.
[0016] Трубный пучок может быть расположен таким образом, что направление потока наружного воздуха перпендикулярно направлению потока выхлопного газа.
[0017] Выхлопной газ может представлять собой выхлопной газ, выпускаемый из двигателя судна, а устройство рекуперации отходящего тепла может дополнительно содержать клапан, расположенный выше по потоку от воздухонагревателя и выполненный с возможностью управления количеством наружного воздуха, вводимого в воздухонагреватель, в зависимости от нагрузки двигателя и его работы.
[0018] Выхлопной газ может представлять собой выхлопной газ, выпускаемый из двигателя судна, а устройство рекуперации отходящего тепла может дополнительно содержать электрический нагреватель, расположенный выше по потоку от воздухонагревателя, причем электрический нагреватель представляет собой вспомогательные средства, выполненные с возможностью нагрева наружного воздуха в том случае, когда теплотворная способность выхлопного газа является недостаточной для нагрева наружного воздуха, в зависимости от нагрузки двигателя и его работы.
[0019] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения арктическое судно содержит: воздухонагреватель, выполненный с возможностью нагрева наружного воздуха, подлежащего подаче на судно, с использованием выхлопного газа, выпускаемого из двигателя судна; трубку, расположенную в воздухонагревателе и выполненную с обеспечением возможности протекания по ней выхлопного газа; и по меньшей мере один вентилятор, выполненный с возможностью подачи наружного воздуха, нагреваемого воздухонагревателем, в находящиеся на борту места потребления воздуха, причем указанная трубка содержит множество трубок, имеющих различные диаметры и расположенные с равными интервалами.
[0020] Устройство рекуперации отходящего тепла для арктических судов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения содержит множество трубчатых трубок и множество ребристых трубок, расположенных в области, где выпускается горячий выхлопной газ, для того, чтобы обеспечивать возможность теплообмена очень холодного воздуха, подаваемого снаружи, с этим выхлопным газом, что, тем самым, максимизирует эффективность теплообмена.
[0021] Кроме того, устройство рекуперации отходящего тепла в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может улучшать энергоэффективность судна благодаря использованию отходящего тепла, уменьшать мощность воздухонагревателя, что обеспечивает возможность уменьшения затрат для связанных компонентов, и уменьшать пространство для установки, что улучшает использования пространства.
[0022] Кроме того, устройство рекуперации отходящего тепла в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может предотвращать прямую подачу очень холодного наружного воздуха в корпус судна, что тем самым предотвращает повреждение различных устройств, расположенных в нем, и может нагревать воздух, подлежащий подаче на судно, до подходящей температуры, что тем самым обеспечивает возможность непрерывной работы различных устройств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0023] На фиг. 1 показано схематическое представление устройства рекуперации отходящего тепла для арктического судна в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, причем устройство рекуперации отходящего тепла расположено в выпускном канале выхлопного газа.
[0024] На фиг. 2 показано схематическое представление основной части арктического судна, на котором применяется настоящее изобретение.
[0025] На фиг. 3 показано схематическое представление в разрезе воздухонагревателя в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0026] На фиг. 4 показан увеличенный вид участка "А", показанного на фиг. 3.
[0027] На фиг. 5 показано схематическое представление трубчатой трубки и ребристой трубки, показанных на фиг. 3.
[0028] На фиг. 6 показан схематический перспективный вид фиг. 4.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0029] Приведенные выше и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из последующего подробного описания вариантов осуществления изобретения, данных в сочетании с сопутствующими чертежами.
[0030] Ниже будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопутствующие чертежи. На протяжении настоящей спецификации аналогичные компоненты будут обозначены аналогичными ссылочными обозначениями.
[0031] Сначала, со ссылкой на фиг. 1, устройство 1 рекуперации отходящего тепла арктического судна в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения содержит: воздухонагреватель 610, нагревающий наружный воздух, подлежащий подаче на судно; клапан DP (damper), соединенный с воздухонагревателем 610, для регулировки потока наружного воздуха в воздухонагреватель 610; электрический нагреватель EH (electric heater), соединенный с клапаном DP, для нагрева наружного воздуха, в качестве источника энергии использующий электроэнергию; и линию EL выхлопного газа (exhaust gas line), обеспечивающую путь для выпуска выхлопного газа из устройства сжигания, такого как силовой генератор (не показан), вырабатывающий электроэнергию с помощью сжигания топлива, или вспомогательный бойлер (не показан), вырабатывающий пар с помощью сжигания топлива, причем воздухонагреватель 610 соединен с линией EL выхлопного газа.
[0032] В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения устройство сжигания будет показано на примере вырабатывающего энергию двигателя. Таким образом, воздухонагреватель 610 в соответствии с этим вариантом осуществления нагревает наружный воздух с помощью теплообмена, происходящего между наружным воздухом и выхлопным газом из вырабатывающего энергию двигателя, причем после того, как выхлопной газ был охлажден посредством теплообмена, его выпускают из воздухонагревателя.
[0033] Клапан DP представляет собой средства для управления забором наружного воздуха в зависимости от эксплуатационных условий этого арктического судна, таких как изменение нагрузки вырабатывающего энергию двигателя во время эксплуатации судна и его бездействие в то время как судно стоит на якоре, и может быть расположен на стороне воздуховпускного отверстия выше по потоку от воздухонагревателя 610.
[0034] Электрический нагреватель EH представляет собой устройство, выполненное с возможностью компенсации нехватки, когда снижается эффективность эксплуатации, или когда является недостаточной теплотворная способность для нагрева (теплотворная способность выхлопного газа), в зависимости от эксплуатационных условий этого арктического судна, таких как изменение нагрузки вырабатывающего энергию двигателя во время эксплуатации судна и его бездействие в то время как судно стоит на якоре, и может использовать электричество от аварийного электрогенератора в качестве источника энергии.
[0035] Устройство 1 рекуперации отходящего тепла в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения может поддерживать температуру воздуха, подаваемого на судно, на постоянном уровне при частых изменениях эксплуатационных условий вырабатывающего энергию двигателя благодаря тому, что содержит воздухонагреватель 610, клапан DP и электрический нагреватель ЕН.
[0036] Линия EL выхлопного газа может представлять собой канал, как показано на фиг. 1, причем с каналом EL выхлопного газа может сообщаться воздухонагреватель 610.
[0037] Со ссылкой на фиг. 2, арктическое судно, содержащее устройство 1 рекуперации отходящего тепла в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения, дополнительно может содержать воздухосмешивающую камеру 600, в которой смешивается горячий воздух, нагретый воздухонагревателем 610, и по меньшей мере один вентилятор 710, выполненный с возможностью подачи горячего воздуха в различные места потребления воздуха.
[0038] В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения воздухонагреватель 610 также может сообщаться с воздухосмешивающей камерой 600, а горячий воздух, введенный в воздухосмешивающую камеру 600, подают в места потребления воздуха при помощи вентилятора 710.
[0039] Линия EL выхлопного газа может сообщаться с впускным отверстием источника тепла (не обозначено ссылочным обозначением) и с выпускным отверстием источника тепла (не обозначено ссылочным обозначением) воздухонагревателя 610, а воздухосмешивающая камера 600 может сообщаться с воздуховыпускным отверстием (не обозначено ссылочным обозначением).
[0040] Кроме того, как показано на фиг. 1 и фиг. 2, впускное отверстие источника тепла, выпускное отверстие источника тепла, воздуховпускное отверстие и воздуховыпускное отверстие воздухонагревателя 610 в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения могут быть образованы таким образом, что направление потока воздуха в воздухонагревателе 610 перпендикулярно направлению в нем потока выхлопного газа. Эффективность теплообмена может быть улучшена благодаря образованию впускного отверстия источника тепла, выпускного отверстия источника тепла, воздуховпускного отверстия и воздуховыпускного отверстия воздухонагревателя 610 таким образом, что направление потока воздуха перпендикулярно направлению потока выхлопного газа.
[0041] Со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 3, воздухонагреватель 610 в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения содержит: трубный пучок ТВ (tube bundle), состоящий из множества трубок, через которые протекает выхлопной газ; корпус 611 воздухонагревателя, в котором размещен трубный пучок ТВ, и выполненный с обеспечением возможности прохождения снаружи трубного пучка ТВ очень холодного воздуха, подлежащего нагреву горячим выхлопным газом, проходящим по трубному пучку ТВ; и теплоизолирующий элемент IS (heat insulating member), расположенный на стенке корпуса 611 воздухонагревателя 611 для изоляции воздухонагревателя 610.
[0042] Например, в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения полярный холодный воздух с температурой, приблизительно равной -52°С, может быть введен в воздухонагреватель 610 и нагрет до температуры, приблизительно равной 5°С, посредством выхлопного газа, температура которого составляет от приблизительно 250°С до приблизительно 300°С, протекающего по трубному пучку ТВ, при протекании по его наружной поверхности. Здесь выхлопной газ может быть охлажден до температуры, приблизительно составляющей 190°С, после теплообмена, происходящего с холодным воздухом, до выпуска из воздухонагревателя 610.
[0043] Воздухонагреватель 610 может быть выполнен из материала, способного выдерживать очень холодный воздух в полярных областях и препятствовать коррозии. Например, воздухонагреватель 610 может быть выполнен из материала SUS316L.
[0044] Трубный пучок ТВ может содержать достаточное количество трубок, расположенных в направлении потока воздуха таким образом, что полярный воздух с температурой, составляющей приблизительно -52°С, при прохождении через внутреннюю часть корпуса 611 воздухонагревателя 611, в котором расположен трубный пучок ТВ, может быть в достаточной мере нагрет, то есть, нагрет до температуры, требующейся для находящихся на борту мест потребления воздуха, например, 5°С.
[0045] Трубный пучок ТВ в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения может содержать: множество трубчатых трубок РТ (pipe tube); и множество ребристых трубок FT (fin tube), как показано на фиг. 3.
[0046] Ребристая трубка FT может содержать основную часть, называемую основной трубкой FTa (base tube), и ребристые элементы FTb.
[0047] Со ссылкой на фиг. 5, в отличие от трубчатой трубки РТ, состоящей только из основной части, называемой основной трубкой, ребристая трубка FT содержит основную трубку FTa и множество ребристых элементов FTb, прикрепленных к основной трубке FTa.
[0048] Ребристые элементы FTb, прикрепленные к основной трубке FTa, могут увеличивать поверхность теплообмена, что улучшает его эффективность.
[0049] В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения трубчатая трубка РТ может иметь больший диаметр, чем основная трубка FTa ребристой трубки FT.
[0050] В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения указанное множество трубчатых трубок РТ и указанное множество ребристых трубок FT могут быть расположены с равными интервалами в корпусе 611 воздухонагревателя таким образом, что направление потока выхлопного газа перпендикулярно направлению потока воздуха, как показано на фиг. 3.
[0051] Кроме того, количество трубчатых трубок РТ может различаться от количества ребристых трубок FT. Например, количество трубчатых трубок РТ может быть меньше количества ребристых трубок FT. Однако следует понимать, что настоящее изобретение этим не ограничено.
[0052] Несмотря на большую поверхность теплообмена ребристой трубки FT в том случае, когда трубный пучок ТВ состоит только из ребристых трубок FT, может происходить потеря давления из-за высокой скорости выхлопного газа по ребристой трубке FT, имеющей небольшой диаметр.
[0053] Для того, чтобы преодолеть эту проблему, в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения трубчатые трубки РТ, имеющий больший диаметр, чем ребристые трубки FT, расположены с равными интервалами вместе с ребристыми трубками FT для уменьшения скорости потока выхлопного газа через трубный пучок ТВ и перепада давления по этому трубному пучку, таким образом препятствуя ухудшению эффективности двигателя.
[0054] Кроме того, размещение трубчатых трубок РТ вместе с ребристыми трубками FT может препятствовать чрезмерной потере давления потока воздуха и потока выхлопного газа в воздухонагревателе 610, в то же время улучшая эффективность теплообмена.
[0055] Как описано выше, устройство рекуперации отходящего тепла для арктических судов в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения содержит воздухонагреватель, нагревающий очень холодный наружный воздух, подлежащий подаче в находящиеся на борту места потребления воздуха, причем воздухонагреватель содержит множество трубчатых трубок и множество ребристых трубок для того, чтобы обеспечивать возможность теплообмена наружного воздуха с горячим выхлопным газом, что, тем самым, улучшает эффективность теплообмена и в то же время минимизирует потерю давления.
[0056] Кроме того, поскольку воздух нагревают с использованием отходящего тепла, создаваемого на судне, возможно увеличивать энергоэффективность этого судна, затраты на связанные компоненты через уменьшение мощности воздухонагревателя и улучшения использования пространства через уменьшение пространства для установки.
[0057] В частности, воздухонагревающая система в соответствии с настоящим изобретением может уменьшать общую мощность приблизительно на 30% (7500 кВт → 5000 кВт) по сравнению с обычной системой, использующей термальное масло для нагрева воздуха.
[0058] Хотя в настоящем документе были описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что эти варианты осуществления предоставлены только для иллюстрации и не должны быть истолкованы каким-либо способом как ограничивающие настоящее изобретение, и что специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные модификации, изменения и эквивалентные варианты осуществления без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения
[0059] Список ссылочных обозначений
1: устройство рекуперации отходящего тепла для арктического судна
610: воздухонагреватель
611: корпус воздухонагревателя
ТВ: трубный пучок
РТ: трубчатая трубка
FT: ребристая трубка
FTa: основная трубка
FTb: ребристый элемент
IS: теплоизолирующий элемент IS
710: вентилятор
DP: клапан
ЕН: электрический нагреватель ЕН
EL: линия EL выхлопного газа