一种利用LNG冷能的船舶冷藏集装箱保温系统
技术领域
本实用新型属于船舶技术领域，具体涉及一种利用LNG冷能的船舶冷藏集装箱保温系统。
背景技术
天然气是一种优质的清洁能源，在世界范围内的储量丰富，且天然气作为船用燃料几乎不产生硫化物和颗粒物，可使得氮氧化物排放量减少85％～90％，CO2等温室气体的排放量也会减少15％～20％。因此，随着人们对环境的越来越重视和燃油价格的不断上涨，以天然气作为燃料的船舶数量越来越多，其中，集装箱船因其航速较高，船舶主机功率大，使用天然气作为燃料的优势更为明显，这促使了更多的集装箱船已使用或计划使用天然气作为燃料。
为了船舶能够携带更多的天然气作为燃料，天然气一般以液态的形式储存。液化天然气 (LNG)是天然气经加压、冷却后的-163℃的低温液体。LNG作为船舶燃料，需将LNG气化并加热到20℃至45℃左右才能送去船舶机舱燃用，在进行气化的过程中，1kg的LNG会释放出850kJ的冷能。以LNG为燃料的集装箱船一般称为“LNG动力集装箱船”，LNG动力集装箱船的动力装置每天消耗的LNG少则几十吨，多能达到上百吨，冷能释放量很大，因此若是能够在集装箱船上将这些大量冷能进行回收利用，将会产生更为可观的经济效益。
所以一些学者对LNG中蕴含的冷能如何有效利用进行了一些初期研究，专利号为CN 209214179 U公开了一种用于冷库的LNG冷能利用系统，该专利将LNG气化站的大量LNG冷能用于冷库，节省或降低了冷库运行的电力消耗。专利号为CN 203824151 U公开了一种LNG动力船舶的LNG冷能利用装置，将船舶上的LNG冷能用于需要消耗船舶大量冷能的冷库、空调等制冷设备。在上述专利中，由于船舶冷库、空调的功率非常有限的，仅能够利用少部分船舶LNG燃料所释放的冷能，所以仍有较大数量的冷能未被利用。尤其像集装箱船这种功率较大的船舶，消耗LNG燃料更多，船上冷库、空调等系统所消耗的能量相对来说更少，远远不能消耗掉集装箱船上每日燃烧的LNG中所蕴含的冷能，所以冷能利用率更低，因此上述所提及的方法对集装箱船并不适用。
集装箱船所载运的集装箱一般分为两种，一种是普通集装箱，一种是冷藏集装箱。其中，冷藏集装箱是一种专门运输需保持定温度的冷冻货物或者低温货物而设计的集装箱。冷藏集装箱内部设有冷冻机设备，并在内壁敷设有热传导率较低的材料，用以运输需要保持一定温度的冷藏或冷冻货物。冷藏集装箱造价较高，且要消耗电能用于制冷，以维持箱内的温度，所以营运费用较高。而随着人们生活品质的提高，对这些冷藏、冷冻的货物的需求量也在不断增多，冷藏集装箱的数目和冷藏集装箱在船舶集装箱中所占的比例正在不断增加。
在船舶上，为了使冷藏集装箱内部保持合适的温度，需要消耗船舶上产生的电能，所以，若是能够利用LNG冷能直接用于冷藏集装箱将会大大降低船舶电网的负荷，减少电网的投入成本，而且节省燃料成本，将会大幅度提高船舶的经济效益，具有巨大的实际意义。
实用新型内容
本实用新型针对中小型集装箱船的特点和上述存在的问题提出了一种利用LNG冷能的船舶冷藏集装箱保温系统。中小型集装箱船上放置在货舱中集装箱数量的比例较高，中小型集装箱船上冷藏集装箱的数目虽然不一定比大型集装箱船的数目多，但基于航线短的特点，冷藏货物多，冷藏集装箱所占据的比例高，数目也不少，所以中小型集装箱船上冷藏集装箱对船舶电网的负荷也很大。
一种利用LNG冷能的船舶冷藏集装箱保温系统，该系统主要包括供气单元、高温货舱单元、低温货舱单元、缸套水加热单元。
其中，供气单元主要包括驳运泵、LNG燃料舱、增压泵、加热器。
低温货舱单元主要包括：低温货舱、低温换热器、第一温控三通阀、低温换热器温包、低温循环泵、低温货舱冷风机、低温继电器、低温货舱温包、低温货舱保温层。
高温货舱单元主要包括：高温货舱、高温换热器、第二温控三通阀、高温换热器温包、高温循环泵、高温货舱冷风机、高温继电器、高温货舱温包、高温货舱保温层。
缸套水加热系统主要包括：加热循环泵、冷却水换热器。
其中，所述低温货舱和高温货舱在货舱的内壁上分别设有低温货舱保温层和高温货舱保温层，目的是减少外界对货舱的渗入热，保证放置货舱中的集装箱的温度保持在一定的范围，确保集装箱中的货物温度。
在供气单元中，LNG在驳运泵的作用下，从LNG燃料舱中出来，经加压泵达到合适的压力，然后依次经过低温货舱单元、高温货舱单元和缸套水加热系统进行换热，在换热过程中，LNG从液态变为气态，并达到船舶主动力装置的供气温度，最终被送入船舶主动力装置中燃用。
在低温货舱单元中，循环管路中所使用的冷媒是60％的乙二醇水溶液，冷媒吸收低温换热器中LNG释放的冷量，在低温循环泵的作用下，进入船舶的低温货舱中，携带冷能的乙二醇水溶液通过低温货舱冷风机的作用，将冷量充分释放到整个低温货舱中，之后，管路中的乙二醇水溶液在低温循环泵的作用下，继续在低温换热器中吸收冷量，如此反复循环。
同样的，在高温货舱单元中，选取了40％的乙二醇水溶液作为循环管路中的冷媒，乙二醇溶液吸收高温换热器中LNG释放的冷量，然后在高温循环泵的作用下，进入船舶的高温货舱中，携带冷能的乙二醇水溶液在高温货舱冷风机的作用下，将冷量释放到整个高温货舱中，之后，乙二醇水溶液在高温循环泵的作用下，继续在高温换热器中吸收冷量进行循环。
进一步的，低温货舱的温度一般控制在-18℃至-22℃之间，高温货舱的温度一般控制在 0℃至5℃之间。低温货舱和高温货舱的内部分别设有低温货舱温包和高温货舱温包监测温度。当低温货舱温包感应的温度低于-22℃时，低温货舱温包会将信号传递给低温继电器，进而控制低温循环泵关闭。当低温货舱温包感应的温度高于-18℃时，低温继电器控制低温循环泵启动。同理，当高温货舱温包监测的温度低于0℃时，高温货舱温包将此种信号传递给高温继电器，用来控制高温循环泵关闭，当高温货舱温包所监测的温度高于5℃时，此时高温继电器控制高温循环泵启动。
LNG在通过第一温控三通阀或第二温控三通阀时，第一温控三通阀或第二温控三通阀可根据对应低温换热器温包或高温换热器温包所监测的温度来控制通过换热器的LNG的流量，若是低温换热器或者高温货舱换热器的乙二醇溶液温度相对较高，可增加经过对应的低温换热器或者高温换热器的LNG的流量，若是温度相对较低，可适当减少经过低温换热器或者高温换热器的LNG的流量，另外，为避免60％的乙二醇溶液和40％的乙二醇溶液分别在相对应的低温换热器和高温换热器中发生冰塞，当低温换热器温包所测得的温度达到下限-30℃，或者高温换热器温包所测得的温度达到温度下限-10℃，可控制LNG完全经过旁通管路，LNG 不经低温换热器或者高温换热器。
在本实用新型中，船舶的冷藏集装箱可以安放在船舶的货舱中，利用货舱内部保温层的作用，货舱内部可以相对确保一个低温的环境，然后将冷藏集装箱放入货舱中，这样冷藏集装箱原本具有的制冷机组就无须启动运行，另外，相对于将每个冷藏集装箱作为一个保温单元，这种将数目较多的集装箱集中放置在货舱的保温方法，实质上减少了冷藏集装箱总体的漏热面积，渗入热相对较少，因此这种方法保温方法更好，经济性更好。更重要的是，这种方法不仅可以将冷藏集装箱放置在货舱中，而且由于货舱的温度已经较低，所以可以采用普通集装箱替代冷藏集装箱存放冷藏或冷冻货品，使得普通集装箱具有冷藏集装箱的功能，使用这种方法可节省造价昂贵的冷藏箱在海上运输中的应用，能够大幅度降低投资成本，不仅如此，普通的冷藏集装箱由于没有制冷机组和保温层，它可以容纳更多的货物，因此这种方法既可以省掉冷藏集装箱的使用，节约投资成本，还可以提高船舶和集装箱的载货量。
其中，缸套水加热系统的作用是保证天然气能达到进入主动力装置燃烧规定的供气温度。
本实用新型的有益效果：
1.本实用新型不但可以极大程度地利用LNG动力集装箱船上蕴藏有大量的冷能，提高能量利用效率，而且节省了冷藏集装箱制冷所需要的大量电力，减少了船舶电网的负荷，极大地提高了船舶的经济性。
2.相比于将单一的冷藏集装箱作为一个保温单元，本实用新型所述的方法将冷藏集装箱集中放置在船舶的货舱中，把货舱作为一个整体保温单元，这将大大减少所有冷藏集装箱总体的散热面积，产生更好的保温效果，经济性更好。
3.本实用新型不仅能够将冷藏集装箱放入货舱中，更重要的是将普通的集装箱放置于货舱中，实现了普通的集装箱像冷藏集装箱一样保存冷藏或冷冻货物的功能，这样，不仅节省了冷藏集装箱的投入成本，而且可节省冷藏集装箱在船舶运输过程中的管理成本，且相比于冷藏集装箱，由于普通的集装箱没有制冷机组和保温层，它可以放置更多的货物，提高船舶和集装箱的载货量。
附图说明
图1是本实用新型的系统图
图2是集装箱船的轴测示意图
图3是本实用新型中低温货舱和高温货舱的位置示意图
1.驳运泵；2.LNG燃料舱；3.增压泵；4L.低温货舱；4H.高温货舱； 5L.第一温控三通阀；5H.第二温控三通阀；6L.低温换热器；6H.高温换热器；7L.低温换热器温包；7H.高温换热器温包；8L.低温循环泵； 8H.高温循环泵；9L.低温货舱冷风机；9H.高温货舱冷风机；10L.低温继电器；10H.高温继电器；11L.低温货舱温包；11H.高温货舱温包； 12L.低温货舱保温层；12H.高温货舱保温层；13.加热器；14.加热循环泵；15.冷却水换热器；
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
如图1所示的一种利用LNG冷能的船舶冷藏集装箱保温系统。该系统主要包括四个单元，分别是：供气单元、高温货舱单元、低温货舱单元、缸套水加热单元。
其中，供气单元主要包括驳运泵(1)、LNG燃料舱(2)、增压泵(3)、加热器(13)。
低温货舱单元主要包括：低温货舱(4L)、第一温控三通阀(5L)、低温换热器(6L)、低温换热器温包(7L)、低温循环泵(8L)、低温货舱冷风机(9L)、低温继电器(10L)、低温货舱温包(11L)、低温货舱保温层(12L)。
高温货舱单元主要包括：高温货舱(4H)、第二温控三通阀(5H)、高温换热器(6H)、高温换热器温包(7H)、高温循环泵(8H)、高温货舱冷风机(9H)、高温继电器(10H)、高温货舱温包(11H)、高温货舱保温层(12H)。
缸套水加热系统主要包括：加热循环泵(14)、冷却水换热器(15)。
LNG在驳运泵(1)的作用下，从LNG燃料舱(2)中出来，然后经加压泵(3)达到合适的压力，依次经过低温货舱单元、高温货舱单元和缸套水加热系统进行热交换，在换热过程中，LNG从液态变为气态，并达到船舶主动力装置燃用的供气温度，最终被送入船舶主动力装置中燃用。
在低温货舱单元中，循环管路中所使用的冷媒是60％的乙二醇水溶液，冷媒吸收低温换热器(6L)中LNG释放的冷量，在低温循环泵(8L)的作用下，进入船舶的低温货舱(4L)中，通过与低温货舱冷风机(9L)换热，携带冷能的乙二醇水溶液将冷量充分释放到整个低温货舱(4L)中，之后，管路中的乙二醇水溶液在低温循环泵(8L)的作用下，继续在低温换热器(6L)中吸收冷量，如此反复循环。
低温货舱(4L)的温度一般控制在-18℃至-22℃之间，用来存放鲜鱼、鲜肉等冷冻货物。低温货舱(4L)内部设有低温货舱温包(11L)监测温度。当低温货舱温包(11L)感应的温度低于-22℃时，会将信号传递给低温继电器(10L)，控制低温循环泵(8L)关闭，当低温货舱温包(11L)测得的温度高于-18℃时，低温继电器(10L)会控制低温循环泵(8L)打开。
当LNG在通过第一温控三通阀(5L)时，会通过设置在低温换热器(6L)中的低温换热器温包(7L)感应管路中乙二醇水溶液的温度，第一温控三通阀(5L)可根据低温换热器温包(7L)所监测的温度进行来控制通过低温换热器(6L)的LNG的流量，若是乙二醇溶液的温度相对较高，可增加经过低温换热器(6L)的LNG的流量，若是温度相对较低，可适当减少经过低温换热器(6L)的LNG的流量。另外，为避免60％的乙二醇溶液在低温换热器(6L)中发生冰塞，当低温换热器温包(7L)所测得的温度达到下限-30℃，可通过第一温控三通阀(5L)控制LNG完全流过旁通管路，LNG不经低温换热器(6L)换热。
在高温货舱单元中，选取40％的乙二醇水溶液作为循环管路中的冷媒，乙二醇溶液吸收高温换热器(6H)中LNG释放的冷量，在高温循环泵(8H)的作用下，进入船舶的高温货舱(4H)中，此时，高温货舱冷风机(9H)工作，将乙二醇水溶液中的冷量释放到整个高温货舱(4H)中，之后，乙二醇水溶液在高温循环泵(8H)的作用下，继续在高温换热器(6H) 中吸收冷量，反复循环。
高温货舱(4H)一般用来装冷藏货物，如：蔬菜、水果等，所以高温货舱(4H)的温度大多控制在0℃至5℃之间。高温货舱(4H)内部设有高温货舱温包(11H)监测温度。当高温货舱温包(11H)感应的温度低于0℃时，会将信号传递给高温继电器(10H)，进而控制高温循环泵(8H)关闭，同样的，当高温货舱(4H)中的温度高于5℃时，高温继电器(10H) 会控制高温循环泵(8H)打开。
当LNG在通过第二温控三通阀(5H)时，会通过设置在高温换热器(6H)中的高温换热器温包(7H)测得换热器中乙二醇溶液的温度，根据高温换热器温包(7H)监测的温度，第二温控三通阀(5H)可控制通过高温换热器(6H)的LNG的流量，若是乙二醇溶液温度相对较高，可增加经过高温换热器(6H)的LNG的流量，若是温度相对较低，可适当减少经过高温换热器(6H)的LNG的流量，另外，为避免40％的乙二醇溶液在高温换热器(6H) 中发生冰塞，当高温换热器温包(7H)所测得的温度达到下限-10℃，可控制LNG完全流过旁通管路，LNG不经高温换热器(6H)换热。
所述低温换热器温包(7L)和高温换热器温包(7H)都是位于所对应的低温换热器(6L) 和高温换热器(6H)靠近乙二醇溶液在换热器管路中的出口处。
所述低温货舱(4L)和高温货舱(4H)在货舱的内壁分别设有低温货舱保温层(12L)和高温货舱保温层(12H)，减少了货舱与外界的热交换，保证放置在货舱中的集装箱的温度保持在一定的范围，保证货物不会因温度不适而损害。
缸套水加热系统的作用是为了保证天然气能达到船舶主动力装置燃用的规定的供气温度。在缸套水加热系统中，主机缸套水在冷却水换热器(15)中与缸套水加热系统中的冷媒进行热交换，然后吸收缸套水中热量的冷媒在加热循环泵(14)的作用下，在加热器(13) 中加热天然气，从而使得加热之后的天然气能够达到进入主动力装置燃烧的规定供气温度。
此外，从LNG货舱输送出的LNG燃料先经过低温货舱(4L)，再经过高温货舱(4H)。
中型集装箱船一般拥有七个货舱，如图2所示，在本实施例中，靠近机舱的6号舱和7 号舱分别是高温货舱(4H)和低温货舱(4L)。图3是本实用新型中低温货舱(4L)和高温货舱(4H)的位置示意图。
本实用新型主要针对的是中小型集装箱船，这种船舶放置在货舱中的集装箱数目所占比例较高。在本实用新型中，船舶的冷藏集装箱可以安放在船舶的货舱中，利用货舱内部保温层的作用，货舱内部可以保证拥有一个相对低温的环境，若是将冷藏集装箱放入这种特殊的货舱中，这样冷藏集装箱原本具有的制冷机组就无须启动，另外，相对于将每个冷藏集装箱作为一个保温单元，这种将数目较多的集装箱集中放置在货舱的保温方法，实质上减少了冷藏集装箱总体的漏热面积，渗入热相对较少。
更重要的是，本实用新型能够实现让普通的集装箱也能像冷藏集装箱一样存放冷藏或者冷冻货物，使得普通集装箱具有冷藏集装箱的功能。由于冷藏集装箱的租金及造价是远远高于普通的集装箱，使用本实用新型中的这种方法可节省造价昂贵的冷藏箱在海上运输中的应用，降低投资成本。不仅如此，普通的冷藏集装箱由于没有制冷机组和保温层，它可以容纳更多的货物，提高集装箱和船舶的载货量。
以上所述仅是本实用新型的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
