冷卻系統(tǒng)在船舶與海洋工程上的應(yīng)用研究

王玉璽 孟 超

上海外高橋造船海洋工程有限公司

冷卻系統(tǒng)在船舶與海洋工程上的應(yīng)用研究

王玉璽 孟 超

上海外高橋造船海洋工程有限公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，從而為我國(guó)船舶和海洋工程事業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了很好的機(jī)遇，但是目前冷卻系統(tǒng)在海洋環(huán)境應(yīng)用當(dāng)中的有關(guān)研究與文獻(xiàn)卻是出現(xiàn)嚴(yán)重不足的情況，并且不能夠很好的設(shè)計(jì)與選型指導(dǎo)的現(xiàn)狀，本文主要從海洋環(huán)境常用冷卻系統(tǒng)以及三種常用散熱器在海上應(yīng)用的比較等方面進(jìn)行了闡述。

船舶與海洋工程；冷卻系統(tǒng)；污垢系數(shù)

近年來(lái)，我國(guó)船舶與海洋工程領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步與發(fā)展，但是我國(guó)關(guān)于冷卻系統(tǒng)在船舶與海洋工程當(dāng)中應(yīng)用的文獻(xiàn)是極其缺乏。與此同時(shí)，許多冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)企業(yè)依然還是處于在探索的階段，面對(duì)海洋環(huán)境的復(fù)雜性與工程要求的特殊性，承擔(dān)著很大的風(fēng)險(xiǎn)。

1、海洋環(huán)境常用冷卻系統(tǒng)分析

1.1 風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)

風(fēng)冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)主要是由動(dòng)力源與風(fēng)扇以及散熱器芯組模塊等組合而成，通過(guò)機(jī)械設(shè)備帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)用強(qiáng)制對(duì)流的作用，帶走系統(tǒng)當(dāng)中多余的熱量來(lái)達(dá)到散熱的目的。由于空氣的比熱容低于水，因此同樣的熱量假如以風(fēng)冷方式散出就需要非常大的風(fēng)量。

1.2 管殼式冷卻系統(tǒng)

管殼式冷卻系統(tǒng)屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)的流體通道稱為管程，換熱管外的流體通道稱為殼程。當(dāng)管程和殼程分別流經(jīng)兩種不同溫度的流體時(shí)，溫度相對(duì)高的流體經(jīng)過(guò)換熱管壁把熱量傳遞給溫度相對(duì)低的流體，溫度相對(duì)高的流體被冷卻，溫度相對(duì)低的流體被加熱，進(jìn)而完成兩流體的換熱。

1.3 板式冷卻系統(tǒng)

板式冷卻系統(tǒng)由通道板、盲板、端板、端封以及通道密封組成。幾何形狀復(fù)雜的板間流道斷面使得其具有較高的傳熱系數(shù)，這是因?yàn)榻橘|(zhì)經(jīng)過(guò)時(shí)，流動(dòng)方向和流動(dòng)速度在不斷變化，流速很低時(shí)還會(huì)產(chǎn)生湍流，強(qiáng)化了傳熱效果。

2、三種常用散熱器在海上應(yīng)用的比較分析

2.1 污垢系數(shù)

板式換熱器的污垢系數(shù)比管殼式換熱器的污垢系數(shù)小得多，其原因是板式換熱器由于板間流體的劇烈湍流，雜質(zhì)不易沉積；板片間流體通道的流通死區(qū)?。挥貌讳P鋼制作的換熱面光滑且清洗容易。而管殼式換熱器內(nèi)殼程流體的流動(dòng)比較復(fù)雜，存在著旁路和死區(qū)，清洗較為困難，雜質(zhì)容易沉積而形成污垢。

2.2 工作壓力和溫度

換熱器耐壓和耐熱能力由結(jié)構(gòu)和材料所決定。管殼式換熱器的材料選擇范圍較大，只有殼體兩端用墊片密封，且對(duì)墊片的壓緊力很大，通常可以適應(yīng)比較寬的溫度和壓力。密封墊片材料決定了板式換熱器的工作溫度。

2.3 工作噪聲

風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)由于是強(qiáng)制空氣對(duì)流散熱，所以散熱設(shè)備通常噪音相對(duì)較高，板式冷卻系統(tǒng)、管殼式冷卻系統(tǒng)工作時(shí)則很安靜，因此對(duì)于噪音要求較嚴(yán)格的地方，適合于用板式或管殼式冷卻系統(tǒng)。

2.4 冷卻效率

衡量冷卻效率的重要指標(biāo)是傳熱系數(shù)。管殼式冷卻系統(tǒng)從換熱角度看不如板式換熱器，板式換熱器有較高的傳熱系數(shù)，一般可達(dá)12560～20934kJ/m2·h·℃。正常情況下，板式換熱器總傳熱系數(shù)比管殼式換熱器大3～5倍以上；在相同換熱面積時(shí)板式換熱器流通面積比管殼式換熱器5倍，且壓降小；在最小傳熱溫差方面，管殼式換熱器為3～5℃，板式換熱器為1～3℃。而風(fēng)冷系統(tǒng)，采用空氣強(qiáng)制制冷，空氣的比熱容大大低于水，所以同樣的熱量如果以風(fēng)冷方式則需要提供非常大的風(fēng)量，其相比板式和管殼式傳熱性能較差。

2.5 占地面積及重量

板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的換熱面積為管殼式換熱器的2～5倍，而且不用像管殼式換熱器那樣要預(yù)留出管束的檢修場(chǎng)地。緊湊度：管殼式換熱器為78m2/m3，板式換熱器為220m2/m3。因此實(shí)現(xiàn)同樣的換熱任務(wù)時(shí)，板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的1/5～1/10。板式換熱器的板片厚度為0.6～0.8mm，管殼式換熱器的換熱管厚度為2.0～2.5mm；管殼式換熱器的殼體比板式換熱器的框架重得多。在完成同樣換熱任務(wù)的情況下，板式換熱器所需的換熱面積比管殼式換熱器的小，即板式換熱器的重量輕，大約為管殼式換熱器的1/5左右。管殼式換熱器和板式換熱器單位體積內(nèi)的換熱面積雖比風(fēng)冷式都大，但風(fēng)冷式占地面積則相比前兩者都要小，且重量輕，同時(shí)在有多組散熱單元的情況下，風(fēng)冷式散熱器的集成度更高，結(jié)構(gòu)更緊湊。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于海上冷卻系統(tǒng)，由于海上工作環(huán)境的影響與空間上也十分有限，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮好系統(tǒng)的冷卻效率、占地面積與重量、污垢系數(shù)、工作噪聲、工作壓力與溫度以及工作噪音等各個(gè)方面的影響，只有這樣才能促進(jìn)冷卻系統(tǒng)在船舶與海洋工程上的應(yīng)用和發(fā)展。

[1]李起潮.板式與管殼式換熱器的比較分析[J].西部糧油科技，2000，25(4)：31-32.

[2]任林.船用大功率中高速柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)值分析與試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)艦船研究院，2012.