冷卻系統在船舶與海洋工程上的應用分析

李錦鋒 李井林

【摘 要】冷卻系統在船舶和海洋工程中發揮至關重要的作用。為充分發揮冷卻系統價值和作用，文章分析了船舶和海洋工程常用冷卻系統，對冷卻系統的應用展開探討，以期提供借鑒。

【關鍵詞】冷卻系統;船舶;海洋工程

前言

冷卻系統是船舶和海洋工程正常進行的重要支柱，通過該系統能夠使整個冷熱循環系處于平衡的狀態，從而為船舶的高效運行提供堅實保障。

1、分析船舶和海洋工程常用的冷卻系統

現階段船舶和海洋工程中最常用的冷卻系統有風冷式、管殼冷卻式、板式冷卻式三種冷卻系統。

1.1風冷卻式

主要由發動機、電機、液壓馬達、扇葉、散熱器芯組模塊共同組成，設備通電后電機會帶動扇葉轉動，利用了空氣對流的原理，將船舶與海洋工程內部造成的熱氣通過空氣循環，與外界空氣進行循環交換，從而達到散熱目的[1]。在采用風冷卻系統時，水比熱容要高于空氣比熱容，所以，如果熱量相同，進行風冷卻散熱時，對風量的要求較高。

1.2管殼冷卻式

管殼式的冷卻系統實質上屬于間壁式換熱器的領域范圍之內，其管道內部的流體又稱為管程，外部的流體通道又稱為殼程。管殼式冷卻系統主要是借助熱量從高向低的性質進行傳導。溫度較高的流體通過冷卻管程與低溫流體進行互，進而達到冷卻的目的。

1.3板式冷卻式

板式冷卻系統的組成部分有道板、盲盲板、板片、內襯、上導桿、下導桿、端封等多部分共同組成的封閉式冷卻系統。在整個散熱系統的兩端分別是盲板和端板，整個散熱系統的中間位置全部為散熱通道板，密封板的位置在通道板與端板兩之間。整個板式冷系統的外部結構為空格板樣式，各個板面之間擁有一定的縫隙，這是為了增強冷卻系統的強度而特殊設定的。另外，前板斷上面的四個角有一個孔洞，主要為了排被加熱介質以及輸送需要加熱的介質[2]。并且在實際工作中，同種介質只能通過一個孔洞進入冷卻系統內，有助于氣體的交換，進而達到冷卻的目的。由于板式冷卻系統內部具有較多的隔板，當介質通過孔洞流經內部時，會與多個板面接觸，所以其流動的方向和速度在不斷變化，有助于增強散熱效果。

2、冷卻系統在船舶與海洋工程上的應用分析

2.1冷卻系統的效率

冷卻效率衡量冷卻系統好壞的重要參數。從熱血角度對冷卻系統進行分析發現，板式冷卻系統比管殼式冷卻系統的實用性能好，另外，板式冷卻系統具有較高的散熱系數最大可達到23000KJm2.h.℃，是管殼式冷卻系統的5倍及以上。最小傳熱溫度方面，管殼式冷卻系統最低溫度為4-6攝氏度，板式冷卻系統的最低溫度為0-3攝氏度，可見板式冷卻系統比管式冷卻系統的冷卻效果好[3]。風冷卻式冷卻系統，采用空氣強制制冷的冷卻方式，由于水的比熱容高于空氣，所以同等的熱量冷卻，要比管殼式冷卻系統和板式冷卻系統所需時間多得多，而且效率相比于管殼冷卻式和板式冷卻式低。

2.2重量和占地面積

板式冷卻系統在具有結構緊湊，而且冷卻效率比管殼式冷卻系統高的多。在對板式冷卻系統進行檢修和養護的時候，不需要占用太多的空間。另外，在緊湊度方面：同樣量的散熱任務板式散熱器的占地面積約為管殼式散熱器的1/4-1/9之間，主要原因是由于這兩種散熱內部組材料的規格不同，板式散熱器的散熱板厚度一般在0.5-1.0mm之間，管殼式散熱器的散熱管厚度在2.5-3.5mm之間，可見同種材料的情況下，管殼式散熱器要比板式散熱器的框架沉重。相同散熱任務量條件下，在散熱面積方面，管殼式要比板式所用面積大。風冷式散熱系統與管殼式、板式散熱系統向比，雖然同種條件下，需要較大的散熱面積，但是由于其內部特殊的組成，風冷式散熱器比板式、管殼式散熱器的占地面積都小，而且安裝操作簡單、便于檢修、質量輕、成本低、集成度高等諸多優點，符合船舶和海洋工程散熱標準。

2.3污垢

板式換熱器與管殼式換熱器相比具有較低的污垢系數，主要是由于板式散熱器內部的結構特征，由于氣體速度快，所以內部不出現太多的灰塵堆積，并且通道直觀上較整齊，換熱表面采用的是光滑材質，便于清潔。由于管殼式內部冷結構比較復雜，導致內部的清潔工作很難進行，就會導致大量的污垢堆積，嚴重降低了其冷卻效率和使用壽命[4]。

2.4成本

由于海水具有較強的腐蝕性，所以在對船舶和海上工程的散熱系統進行建設過程中，需要注重提升散熱器的防腐蝕性能。因此，在選擇散熱器材料時，應當選擇防腐蝕性能好的材料，所以其材料的成本投入相比陸地上會有所提升。但是，相同腐蝕環境下，為保證板式散熱器整體的性能，需要選擇優質的防腐蝕金屬板材，相比于同種性質的管材而言，成本投入較低，而且施工建設過程中，需要的加工機械設備單一，散熱器內部管材的通用性能比管材高、易沖壓成型，所以相比于管殼式冷卻系統的建設，能顯著降低施工制造成本。另外，經過膜化處理后的板材，其耐久度是管式的2-4倍。風冷式散熱系統相比于板式、管殼式而言，內部結構較簡單，制造工藝容易、機械加工操作少，而且采用腐蝕性能一般的全鋁或者全銅的材料就能滿足海上工程防腐蝕性能的要求，所以相比于板式、管殼式，性價比較高。

2.5溫度和壓力及噪聲

散熱器內部的結構和所應用的材料決定了其自身能承受的壓力和耐熱性能。管殼式散熱轉換器所選擇的材料范圍較廣泛，整體結構上只有兩端的密封性較強，整體對兩端封閉墊片會產較大的壓緊力，所以其具有較強的耐壓和耐高溫性能。板式散熱器的內部結構是由特殊墊片進行密封處理的，但是由于板片的質地較薄、剛性較差，所以板式散熱器的耐壓力和耐高溫性能比較不僅任意，而且在安裝時，由于板材較薄，稍有不慎就會導致板材破裂，出現漏氣問題。另外，工作噪聲方面，風冷式冷卻系統>板式冷卻系統>管殼式冷卻系統。

2.6制造成本

海上應用環境相對復雜，其材料容易受到海水及動物糞便侵蝕導致生銹。因此，海上環境對船舶與海洋工程的冷卻系統制造材料要求較高，其需滿足防腐性要求，對散熱器科學設計。因此，其實際建設成本相對較高。在相同的海上的環境中，板式換熱器其主要材料耐腐蝕的金屬板材進行設計建設，其實際原料價格較為低廉，制作以沖壓成型為主，機械加工較少，且零件自身的通用性較大，制造成本不算很高。同樣，板式換熱器其板片經過轉化膜處理，耐不同介質侵蝕，可有效防止水中氯離子對其造成腐蝕作用，延長散熱器實際使用壽命。相較于管式熱交換器，板式換熱器的使用壽命要高于其2-3倍。風冷式散熱器其結構較為簡單，多采用腐蝕性能良好的全銅結構設計，制造簡單，加工操作較少，材料經濟性突出。

結語

對于船舶與海洋工程的冷卻系統而言，由于其工作的環境比較惡劣，所以在材料的選擇上面應當選擇防腐蝕性能較強的材料。現在海洋工程中常用的冷卻方式有風冷卻、管殼式、板式三種。選擇時應當根據實際的散熱需求選擇合適的冷卻方式，進而推進海洋工程和船舶行業的穩定、持續發展。

參考文獻：

[1]吳漢川，王健，楊光恒.冷卻系統在船舶與海洋工程上的應用分析[J].石油和化工設備，2017，83（3）：5-10.

[2]黃偉，馮維，王海峰，等.直流換流閥單元模塊蒸發冷卻系統的仿真分析與試驗[J].電工技術學報，2017，32（2）：264-270.

[3]王印忠，李雪，久嵐穎，等.《海水循環冷卻系統設計規范第1部分取水技術要求》創新點[J].中國給水排水，2017，56（14）：22-24.

（作者單位：1.上海振華重工（集團）股份有限公司;2.江蘇江揚特種電纜有限公司）