液压系统热能回收技术在船舶上的应用

重庆交通大学航海学院 韩雪峰 彭中波

一、引 言

经济的可持续发展已变成全球所有国家的共识，联合国为此也呼吁全世界每个国家都要重视发展节能型经济。近些年，我国的造船业和国家整体经济形势一样，发展很快，形势喜人，产品有很强的竞争力。但要获得长期的竞争力，必须从战略上重视节能技术的研究和开发。船舶是能源消耗非常大的运输工具，高能耗一方面使船舶运行成本很高，另一方面船舶运行也给环境带来了很大的压力。因此，如何有效降低能耗，是一个现实而又重大的课题。本文主要从液压系统热能回收技术方面进行船舶液压系统节能研究。

二、节能型的油温控制系统

船舶液压系统的流体不仅具有运动和动力的传递作用，还有进行润滑和冷却的作用。但是油液也容易因此吸收大量热量使温度迅速上升，由于温度的变化对油液动力粘度和润滑性影响很大，是系统正常高效运行的重要影响因素，因此温度的变化对液压系统的性能有重大影响。

油温的控制主要分为加热和冷却两个方面，如上所述的情况，油液在吸收了大量的热能之后需要采取冷却措施，否则不仅会对油液自身的品质产生不良影响，高温高热也会对重要零部件的形变有所影响；而当液压系统处于刚启动或者冬季气温较低时，油液则需要预热或者加热后才能进行使用。

传统的加热方式是在油箱中放置安装一个电加热管，这种方式的优点是简单易行，但一个明显缺陷是加热管附近的油液易产生局部过热，使油液变质而严重影响使用性能，而其余地方受热效果却不明显。当油液温度偏高时，传统的冷却方式是采用冷却器进行水冷或采用风扇将热量排放到空气中（风冷），如图1 所示。

图1.传统油温

这种方式的主要问题是能量流失严重，液压系统做功大量的能量转化为热能，使液压油温度升高，直接的风冷使能量白白流失于周围的环境。如果能将这部分能量进行回收再利用，将提高船舶液压系统的能量利用率，对节能减排起到重要作用。

从提高能量利用率的角度考虑船舶液压系统温度控制方法，需要解决的问题是首先需要满足油液的冷却和预热的问题，解决原有加热部分局部过热和冷却方法效率低下的问题，然后是将随风流失部分的热能进行回收和再利用。

鉴于上述情况，对原有的温度控制循环系统进行改进，改变为一种节能型的油温控制系统，其原理如图2所示。

图2 冷却模式结构示意图

在结构方面，为了避免原来加热管的局部过热性问题，采用如图2中的热交换管，薄壁的螺旋形热交换结构大大增加了换热面的接触面积和管道内液体的湍流作用，提高了热交换效率；而蓄热装置的增加和运用则可以将热水的高热量换存起来，使热能得以回收而不是随风排向外界环境浪费；选用了三个换向阀，通过与控制中心的配合，可以实现冷却模式油液热量的回收和预热模式油液使用前的预热的切换。管道内换热用水的流速和时间由各传感器提供信号并与控制中心进行配合完成。图2中流体的流向充分应用了逆流换热的原理，逆流是冷热流体之间流动的方向相反，工作时管道外的油液由出口向入口流动，管道中的冷却水则是从液压系统的入口向出口处流动，这样逆向的流动平均温差较大，在传热面积一定的条件下可以传递更多的热量。

图3是油液温度过高时执行冷却模式的示意图，首先由温度传感器测出油液温度并进行数显反馈到控制处理中心，若温度偏高，冷却模式电机启动让水从左边的入口进入，进行热交换完毕之后从右边出口排出，水中带有大量的热能通过蓄热交换装置的吸收暂存起来，失去热量的冷却水返回水箱。

相反，当油液需要预热或加热的时候，系统的方向控制阀4、13、14 进行换向，进入热模式工作，温度相对较低的水通过蓄热器换出热量，温度上升后进入热交换器中，对温度相对较低的油液进行预热，通过热传递后的冷却水通过方向控制阀14 回到水箱作下一次循环用。这种模式是上一种冷却模式的切换，是由各控制阀体的有效切换配合进行的。由两种模式的工作过程可见，整个过程中冷却水的控制比较关键，因为温度的控制过程中常出现的问题是控制调节的滞后性。为了把握好换热过程中水的流动速度和流通时间，采用如图4所示的控制方案：冷却水流速的控制是通过PID控制器控制变频电机调节泵的流量来实现的，安装在油箱的温度传感器测出油液的温度，并反馈回来与设定需求的目标温度值进行对比，产生温差信号△C和温差变化率信号C’作为输入，通过推理系统对PID控制参数KP、KI、KD进行整定，从而通过PID 控制器调节泵的排水量，使其有良好的动、静态性能。

图3 热模式结构示意图

图4 温度控制方案框图

图5 温度变化趋势图

冷却水流动时间的控制是通过反馈回来的温度信号综合温差交换效率的情况确定冷却水开启和关闭的时间点tA、tB、tC、tD…。当实际温度到达某点时，温度控制器就会发出相应的信号，控制冷却水的通断。温度随控制过程的变化趋势如系统刚启动时油液需要预热，进入热模式使油液温度升高，当达到具有最佳性能的温度Tb时，该模式停止。由于系统内摩擦和功率损耗等因素，转化成的热能使温度继续上升，为避免超过温度上限Th，在A点启动冷却模式。当温度降至B点时停止冷却，系统温度停止下降，直到下一个冷却时间点C到来时再启动电机。这样系统的油温便可维持在最佳范围内，使工作过程中的油液具有最佳的粘度和使用性能。

三、结 论

液压系统温度控制和热能回收技术克服了原有系统加热和冷却方法的弱点，并对因传统方法流失部分的热能进行回收再利用，达到了节能的目的，同时温度的实时控制也使油液保持在一个相对良好工作的温度范围内。

[1]李杰仁.轮机自动化[M]．北京：科学出版社，1996.

[2]雷天觉.新编液压工程手册[M]. 北京理工大学出版社, 1998.

[3]徐滨士.绿色再制造工程的进展与发展趋势

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