船舶电气设备高效冷却方案研究与应用

船舶电气设备高效冷却方案研究与应用

杜小良1倪忠2刘海燕3

江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江  214532

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摘要：本文对船舶电气设备高效冷却方案展开研究与应用，针对船舶电气设备长时间高负荷运行导致的散热难题，提出了一些高效冷却方案。通过实验验证和实际应用，证实了该方案在提高冷却效率、降低能耗、延长船舶电气设备寿命等方面的显著效果。

关键词：船舶、电气设备、高效冷却、散热材料、智能控制

1船舶电气设备冷却系统概述

1.1船舶电气设备冷却需求分析

船舶电气设备一般安装在较为封闭的区域，运行过程中会产生大量热量，需进行有效的冷却操作，以确保设备在正常温度范围内稳定工作。船舶电气设备冷却需求分析包括很多内容，比如针对不同系统的电机负荷率、不同电气设备的热量产生机制、工作温度要求以及冷却系统的散热需求进行综合考量。通过分析各电气设备的功率大小、运行工况、环境温度等因素，确定不同设备的冷却需求及散热量大小，为设计高效冷却方案提供详实依据。同时，合理的冷却方案不仅可以保障船舶电气设备安全可靠的运行，还能够提高设备工作效率，降低能源的消耗，延长设备使用寿命，符合船舶节能环保的发展趋势。

1.2传统冷却方案及存在问题

传统船舶电气设备冷却方案通常采用通风空气散热或水冷技术，存在一些问题。空气散热方式效率较低，受季节环境温度和通风设备选型影响比较大；水冷方式虽然散热效果比较好，但是耗能较高且存在水源限制，间接增加了船舶冷却水系统的容量和设备容量，造成建造成本增加。此外，传统冷却系统通常缺乏完善的智能控制策略，无法根据电气设备实际工况和环境变化进行动态调节，导致能耗浪费和设备冷却性能下降等问题。因此，传统冷却方案在能效性、节能性和智能化方面存在一定的局限性，实际设计和应用过程中还有很大的改进空间。

1.3高效冷却方案的必要性

高效冷却方案的必要性主要表现在：首先，随着船舶电气设备不断向大功率、高密度等方向发展，传统冷却方式已难以满足其散热需求，需要高效的冷却方案来确保船舶电气设备安全稳定运行；其次，船舶对于能源的高效利用和环保要求逐渐提高，高效冷却方案能够降低能耗、减少环境压力及排放；而且，在船舶航行过程中环境条件经常变化，需要更加灵活、智能的冷却系统进行实时调节，确保船舶电气设备处于最佳工作状态。因此，采用高效冷却方案能够提高设备的工作效率、延长设备的寿命、降低维护成本，并符合绿色环保、节能减排的发展趋势。

2高效冷却技术探讨

2.1直接液冷技术

直接液冷技术主要是通过将液体直接置于需要冷却的设备表面或器件之间来实现散热的目的，能够更加高效地吸收和排放热量，相比空气冷却具有更好的散热效果和温度控制能力。直接液冷技术的应用，可以有效减少设备运行温度，提高设备性能和稳定性，同时能够实现节能环保，适用于高功率密度和高性能要求的船舶电气设备冷却。

2.2风冷散热技术

风冷散热技术主要是通过利用自带风机将空气引入设备周围，以达到散热的目的。空气流经散热片或散热器，带走设备运转产生的热量，然后将热空气排出设备周围。这种散热技术结构简单，成本比较低，不需要额外的冷却介质。然而，风冷散热技术受环境温度和通风条件影响比较大，散热效果较为依赖外部环境，且难以满足对高功率密度设备的散热需求。

2.3冷水循环冷却技术

冷水循环冷却技术主要是通过将冷却水循环引入设备或系统的散热部件，以吸收设备产生的热量，然后将加热的冷却水通过水泵送往冷却设备（如冷却塔或冷却器）进行散热，并循环利用冷却水进行散热，最终将冷却水重新循环引入设备散热部件。这种技术的应用，能够提供稳定的冷却效果，适用于大型设备或系统的散热需求，且相对于风冷散热技术更适用于高功率密度设备的散热需求，但是需要考虑水冷却系统的能耗和运行成本。

2.4相变材料应用在冷却中的潜力

相变材料应用在冷却中具有巨大潜力，这种材料在温度变化时能够吸收或释放大量潜热，实现相变过程，从而确保温度稳定。在实际冷却应用中，相变材料可帮助控制设备温度，有效吸收和释放热量，提高散热效率并减少能源消耗。此外，相变材料还可以在短时间内快速吸收大量的热量，稳定设备运行温度，应用潜力非常巨大，可以在各种领域中发挥重要作用。

随着氨燃料被航运和造船界重视和实际应用，其良好的换热性将会得到更多研发单位和设备生产企业的重视，无需专用特点冷却剂就可以直接采用船用燃料作为换热介质，未来可以在各类设备冷却策略应用上得到普及应用。

3船舶电气设备高效冷却方案设计与优化分析

3.1设备布局与通风优化

设备布局与通风优化是指在设计和安装船舶电气设备时，合理布局设备位置和机械通风口，以提高设备的散热效率和运行稳定性。优化的电气设备布局，可避免设备之间的热量相互干扰，减少热量积聚和热点，同时能够增加空气的流通，协助设备更好地散热。接合CFD模拟建模和计算通风流体，合理设计通风口位置和通风系统，能够有效地带走热量和保持设备周围空气流通，提高设备的散热效果，降低设备运行温度，延长船舶电气设备的使用年限。

通过设备布局与通风优化，可有效减少船舶电气设备之间的热量交叉影响，降低电气设备温度，并且提高设备的可靠性和稳定性。合理的通风设计，可以保持船舶电气设备周围环境空气流通，避免局部热量积聚和热点产生，从而提高电气设备的散热效率。同时，优化的设备布局与通风设计还能降低设备运行时的噪音和振动，改善工作环境，提高生产效率，能够显著提升设备的整体性能和使用寿命。

3.2冷却系统节能措施

冷却系统的节能措施包括但不限于：使用高效节能的冷却设备和散热器、优化冷却系统的运行参数以提高能效比、采用变频节能技术和智能控制系统实现根据实际需求调节冷却系统的运行状态、利用可再生能源作为冷却能源、改进冷却系统的设计，减少能量损失以及加强冷却系统的维护与管理，定期清洁与维护设备以确保其高效运转。这些措施可降低冷却系统的能耗，提高系统效率，并在保证正常工作的前提下实现节能减排。

此外，冷却系统节能措施还包括优化冷却系统的运行时段，避免高峰时段使用，利用低谷时段运行以减少能耗，采用定时启停或温度控制等方式进行节能调控。采用传统空调系统时，可考虑使用节能型空调设备，利用智能温控技术实现精细化控制，合理规划冷却系统的布局和管道设计，减少能量损失。同时，需要定期检查和维护设备，清洁散热器和换热器表面，保持设备的良好状态，以提高冷却系统的效能，降低能耗，实现节能环保的目标。

3.3智能控制策略应用

智能控制策略在船舶领域的应用非常广泛，通过整合传感器、数据采集、分析技术和执行器执行，实现对设备和系统的实时监测、分析和调节，以最优化运行和提高效率。无论是风冷散热技术、直接液冷技术、冷水循环冷却技术还是选用相变材料，都可以通过按照传感器进行环境或是特定冷却对象的温度监测，将温度信号实时的反馈到了智能处理器上。处理器可以接合设备的负荷率、运行时间、航行区域和航线、季节环境温度等不同的因素和条件进行大数据的采集和积累，通过历史大曲线的分析技术得到设备温度变化的规律和极限安全值。

接合当前成熟技术的VFD变频控制，通过对机械通风风机马达频率和流量比例关系、对冷却水或是相变材料流速和流量进行无极变速控制，实现对冷却介质定量计算。将对应的计算公式和软件编程到智能控制器中，实现系统完整PID闭环的控制，达到最大节能的效果。

在进行智能控制策略应用的同时，要充分考虑到船舶在海洋恶劣环境下设备不可替代、不可及时恢复能力的特点。将各类可能发生的智能控制失效因素分析并综合考虑，在系统的编程上基于大数据分析的结果给出预报警、主报警、自动停车等保护应急措施，并且在设备的设计和配置上采用手动模式和旁通模式，实现对设备和船舶安全的基本要求。

总的来说，船舶的智能化甚至是无人化是目前各国工业强国的共同目标，随着各国鼓励政策推进，尤其是节能减排的真实惠利使各船东公司实际收益。智能控制策略的应用会原来越普及、更好的涵盖到船舶更多的系统和设备上，为实现船舶智慧化、高效化、便捷化和节能环保的目标提供了有力支持和保障。

4结语

总之，船舶电气设备的高效冷却方案研究与应用对提升船舶电气系统的可靠性、安全性和经济性具有重要意义。本文提出的基于先进散热材料和智能控制技术的方案为船舶电气设备的运行维护提供了新思路和技术支持，具有良好的应用前景和推广价值。

参考文献

[1]谢坤.船舶电气设备高效冷却方案研究与应用[J].船电技术,2017,37(02):33-37.

[2]谢坤,雷毅.船舶电气设备高效冷却方案设计[J].舰船科学技术,2016,38(23):110-115.