船用滑油冷卻器的選型分析

王廣夫，王 琰

● （1.駐大連426廠軍代表室，大連 116001；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

船用滑油冷卻器的選型分析

王廣夫1，王 琰2

● （1.駐大連426廠軍代表室，大連 116001；2.上海船舶設備研究所，上海 200031）

本文通過對不同型式換熱設備結構、工作特點及性能的對比分析，討論了在船用條件下，應用于滑油冷卻設備的制約因素，得出了管殼式熱交換器結構是當前船用滑油冷卻器的主選結構型式的結論。

換熱設備；船用條件；管殼式

1）由于受布置空間與總體重量限制，一般要求船用換熱設備結構緊湊小型化；

2）由于船用換熱設備一般是利用海水冷卻，一旦海水泄漏至熱端流體可能導致嚴重的后果，甚至影響整個動力裝置的安全運行，因此船用換熱設備對密封性能與可靠性要求高；

3）船體在運行過程中，可能遭遇振動、沖擊、大角度傾斜及噪音等惡劣工況；

4）船用換熱設備，常用的冷卻介質是海水，具有較強的腐蝕性；同時由于海水側容易結垢而且常伴隨水生物附著，必須定期進行清理，但由于船上設備布置較為緊湊，因此一般要求船用換熱設備具備清洗方便的特點。

1 應用背景

滑油冷卻器作為一種廣泛應用于動力、化工、船舶、制冷和機械等領域的換熱設備[1]，其主要作用為冷卻潤滑油，在汽輪機以及發電機運行過程中，保持其軸承的溫度在正常范圍內。采用循環水作為介質實現熱交換，使具有一定溫差的兩種液體介質實現熱交換，從而達到降低油溫使之達到規定值，確保機組的正常運行。可以說，滑油冷卻器是一種必不可少的換熱設備，其正常、穩定地運行時汽輪機等大型機械設備安全運行的重要保證。

換熱設備是船舶動力裝置中的重要設備。與陸用換熱設備相比，海洋應用環境及使用要求給船用換熱設備帶來諸多特殊額外的制約因素[2]：

2 各型換熱設備的結構及其工作特點

換熱器的種類和型式很多，對于應用液-液或液-汽換熱的換熱器來說，若按照傳熱面型式來分，主要有管式換熱器和板面式換熱器兩大類：管式就是以管材的內外表面為傳熱面；板面式是以各種形狀的板材表面作為傳熱面。

2.1 管式換熱器

管式換熱器具有結構簡單、可靠性高、適應壓力范圍廣、使用材料廣泛設計，制造和使用技術成熟等優點，特別在溫度高和壓力高等工況下，占有相當優勢。主要結構形式有3種[3]。

2.1.1 蛇管式熱交換器

圖1為幾種常見沉浸式蛇管換熱器。具有結構簡單、操作方便和造價低廉等特點。管子可承受較大的流體介質壓力。但由于管外流體流速很小，其單位傳熱面積金屬消耗量大，因而傳熱效率較低，體積大，設備笨重，不適于制造大型換熱器。

圖2為常見噴淋式蛇管換熱器。把若干直管水平排列于同一垂直面上，兩端通過彎頭連接，被冷卻的流體在管內流動，冷卻水由管排上方的噴淋裝置均勻淋灑在管排上，最后集中于下部槽內。噴淋式蛇管式換熱器的主要優點是與沉浸式相比，管外流體的傳熱系數大，且結構簡單、緊湊，易于制造安裝，便于檢修和清洗。其缺點是體積也較大，有時噴淋效果不夠理想[4]。

圖2 常見噴淋式蛇管換熱器

2.1.2 套管式換熱器

常見的套管式換熱器主要有兩種，如圖3(a)所示的直管式套管換熱器和如圖3(b)所示的彎管式套管換熱器。換熱器工作時，兩種不同溫度的流體分別從內管和套管環隙流過，并多以逆流方式進行，從而傳熱面兩側都有較高的換熱系數，特別適合于高壓、低傳熱系數流體的換熱。但套管式換熱器接頭較多，可拆連接處容易造成泄漏，不易檢修、清洗和拆卸，這種換熱器一般適用于流體流量較小的場合。

圖3 套管式換熱器

2.1.3 管殼式換熱器

管殼式換熱器是一種應用最廣泛的換熱設備。如圖4所示，主要由殼體、管板、端蓋、管束等組成。端蓋和殼體裝有流體的進出口接管。為了增加流體在管外空間的流速，往往在殼體內管束上安裝與管束相垂直的折流板，以改善傳熱效率。這種換熱器總體結構比較簡單、緊湊，造價較低廉，操作安全可靠，選用材料較為廣泛，易于制造，清洗較為方便，能在高溫高壓下使用，從而得到廣泛使用。

圖4 管殼式換熱器

2.2 板面式換熱器

板面式換熱器是以對流和熱傳導為主要手段的換熱設備，其傳熱效率比管式換熱器高，是一種高效、緊湊、節能的換熱設備。該設備以波紋板為傳熱面，采用板材制作，生產成本低，但其耐壓性能較管式換熱器低，主要結構形式有3種。

2.2.1 螺旋板式換熱器

螺旋板式換熱器如圖5所示具有傳熱系數高、不易結垢、易清洗、結垢緊湊、材料利用率高等特點，適用于處理含固體顆?；蚶w維的懸浮液以及有粘性、有沉淀液體的熱交換。最大的缺點是換熱器的密封比較困難。而且一旦發生泄漏，常常由于無法有效檢測漏點位置并進行修補，而只能整臺報廢。

圖1 螺旋板式換熱器

2.2.2 板翅式換熱器

板翅式換熱器如圖6所示[5]，最大的特點就是傳熱效率高、結構緊湊。但板翅形換熱器流道小，容易產生堵塞，而增大壓力降，由于受材料所限，不能承受高溫高壓，且不能進行機械清洗。適用于粘度系數較小的氣體介質進行熱量交換。另外，制造工藝要求嚴格，工藝過程復雜。

2.2.3 板式換熱器

板式換熱器如圖7所示，具有傳熱效率高、使用安全可靠、結構緊湊、清洗方便和易維修等優點。但由于板式換熱器板片周邊太長，易滲漏。此外，由于流道狹小，應當避免流體中含有直徑較大的顆粒，通常不要超過平均通道的三分之一。在相等流速條件下，板式換熱器相對于管殼式換熱器的壓降要高出許多，但實際應用時板式熱交換器中流體速度較低且長度較短，實際產生的壓降也可以接受。

2.3 各類換熱器性能比較

以上所述的各類換熱器性能比較見表1。

圖6 板翅式換熱器

圖7 板式換熱器

表1 各類換熱器性能

3 選型分析

換熱器的類型很多，每種型式都有特定的應用范圍。在某一種情況下下性能很好的換熱器，如果換到另一種情況下使用卻不一定很合適，可能傳熱效果和性能會有很大的改變。因此，換熱器的選型將直接影響到換熱器的運行。要使換熱器能在給定的船用條件下很好的運行，必須在熟悉和掌握各型換熱器的結構及其工作特點基礎上，結合船用換熱設備的限制，對船用換熱器進行合理的選擇。

蛇管式換熱器由于其傳熱效率低，設備體積較大，因此不適用于船用換熱設備。

套管式換熱器具有較高的換熱效率，但其接頭較多，可拆連接處容易造成泄漏，不易檢修、清洗和拆卸，因此也不適用于船用換熱設備。

對于螺旋板式換熱器來說，雖然其傳熱效率及緊湊性都比較好，并且具有較好的抗污垢能力，但由于其直徑比較大，其承壓能力和直徑受船上布置安裝的限制。同時其具有不易檢修的特性，因此也不適用于船用換熱設備。

由于在船用滑油冷卻器中，海水側容易結垢而且常伴隨水生物附著，因此往往需要定時清洗[6]，板翅式換熱器的主要不足之處是其流道狹小，容易引起堵塞而增大壓力降。由于不能拆卸，一旦產生堵塞或結垢，清洗很困難。所以也不適用于船用換熱設備。

板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備，使用靈活，拆裝清洗方便。但考慮實際應用時還有一些限制：

1）目前國內設計板式換熱器的一般許用壓力低于管殼式換熱器，應根據設計壓力酌情選用；

2）海水的鹽度較高，尤其是其中的氯離子對于板片的腐蝕比較嚴重，普通不銹鋼板片不能滿足要求，因此要采用成本較高的鈦合金作為板材；

3）海水容易結垢，當板片表面的污垢嚴重時，介質中的腐蝕元素（Cl、S等）可能大量附著于污垢，并在污垢底部縫隙處富集；

4）由于板式換熱器板片周邊太長，滲漏機會大。

因此，板式換熱器要應用在船用換熱設備中，還需要克服這些困難。

4 結論

通過以上比較分析發現，管殼式熱交換器換熱能力強、結構簡單緊湊，兩側密封性能良好、且清洗較為方便，易于制造，特別在處理量大、溫度和壓力高等場合下具有其獨特的優勢，滿足船用滑油冷卻器的各種制約因素，是當前船用滑油冷卻設備的主選結構型式。另外，如能克服使用制約條件限制，板式換熱器有望成為管殼式換熱器的替代產品。

[1]南金秋.滑油冷卻器強化傳熱實驗研究及其優化設計[D].哈爾濱工程大學碩士論文, 2008.

[2]邱金榮,賈臻,龔自力,徐俊峰.船用換熱設備選型分析及小型化技術應用[J].艦船科學技術, 2012,34(10), 98-101.

[3]劉月芹.淺談換熱器的分類和特點[J].化工設計通訊,2003(3):39-42.

[4]賈俊峰.摩托車取暖裝置研究[D].重慶大學碩士論文, 2004.

[5]T.KUPPAN.Heat Exchanger Design Handbook[M].Taylor & Francis Inc., 2000.

[6]侯立平,于成安.船舶板式冷卻器及其清洗[J].航海技術, 2010(4): 59-62.

上半年全球新船訂單同比降近兩成

據韓國《朝鮮日報》等媒體日前報道，韓國造船界和英國克拉克松研究公司的統計數據顯示，今年上半年，全球新船訂單量為944艘、2048萬修正總噸，按修正總噸計，同比減少17.2%。其中，中國船企接單量繼續穩居世界第一位，韓國船企接單量降幅較大。

上半年，中國船企承接新船訂單481艘、909萬修正總噸，總金額為145.56億美元，按修正總噸計，同比下降7.8%，占國際市場份額的44%。韓國船企承接新船訂單164艘、555萬修正總噸，總金額為132億美元，按修正總噸計，同比下降29.5%，占國際市場份額的27%。日本船企承接新船訂單177艘、345萬修正總噸。

截至6月底，全球船企手持新船訂單5274艘、1.12億修正總噸。其中，中國船企手持新船訂單2443艘、4499萬修正總噸。韓國船企手持新船訂單886艘、3295萬修正總噸。日本船企手持新船訂單939艘、1842萬修正總噸。

上半年，雖然全球新船訂單量出現下降，新船價格卻持續回升，克拉克松新船價格指數在5月份最高漲至140點，進入6月份才出現回落。

韓國造船界人士認為，上半年的全球新船訂單中，相當一部分是去年新船價格處于低位時，船東下的選擇權訂單。船價持續回升是船東急于讓這些訂單“轉正”的主要原因。對于下半年的國際船舶市場走勢，韓國造船界人士認為，雖然歐洲船舶融資政策趨于寬松，但受運力過剩等不利因素的影響，新船市場仍不容樂觀。

（作者：牛序謀）

Analysis on Type Selection of Marine Oil Cooler

WANG Guang-fu1，WANG Yan2
(1.Navy Representative Office at Dalian 426 Shipyard , Dalian 116001, China; 2.Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

Through comparison analysis on structure, working characteristics and performance of different type heat exchangers, a brief conclusion is made that shell and tube heat exchanger is the main type in marine oil cooler, especially satisfying the oil cooling restriction factors.

heat exchangers; marine condition; shell and tube type

U665

A

王廣夫（1978-），男，工程師。研究方向：船舶輔機。