船用板式冷卻器的選型及配置

穆名

摘? ? 要：船舶動力裝置在運行中會產生大量的熱能，而這些熱能需要進行熱交換后才能維持設備正常的運行，板式冷卻器就是船舶冷卻系統重要的熱交換設備。船用板式冷卻器采用海水或淡水作為冷卻介質，通過設計特殊的板片結構將熱量帶走，以滿足設備進口的液體溫度。船舶的中央淡水冷卻系統、主機缸套水冷卻系統以及滑油冷卻系統均采用了板式冷卻器。本文簡要介紹板式冷卻器的特點、選型及配置方法，可供相關人員參考。

關鍵詞：船用;板式冷卻器;應用;設計

中圖分類號：U664.81 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： A large amount of heat energy will be produced during the operation of the ship power plant， the heat energy needs to be exchanged to maintain the normal operation of the equipment， and plate type cooler is an important heat exchange equipment for the ship cooling system. Marine plate type cooler uses seawater or fresh water as cooling medium to take away heat by designing special plate structure to meet the liquid temperature of the equipment inlet. This paper briefly introduces the characteristics， type selection and configuration method of the marine plate type cooler.

Key words： Marine; Plate type cooler; Application; Design

1? ? ?前言

船用板式熱交換器（簡稱板式冷卻器），是由多層熱交換效率較高的薄金屬板片重疊組成。板片通常呈波紋形狀，具有滿足不同要求的溝槽，安裝在金屬框架上用螺栓通過夾板夾緊。螺栓往往預留有一定的長度，可按需要加裝板片;框架材料通常采用SUS400不銹鋼或其它材料，端面采用橡膠墊片，以確保油/水的密封性;針對不同的冷卻介質，密封材料有所不同，分別有耐海水（中央板冷）、耐高溫（缸套水板冷）、耐油（滑油板冷）的密封材料。

2? ? ?板式冷卻器的優缺點

（1） 熱傳導效率高。因為采用的是不同的波紋板相互組合，流體在波紋板間形成旋轉的三維流動，可以在很低的雷諾數情況下產生紊流，所以熱傳導效率較高;

（2）結構非常緊湊。占用船的面積較小，只需在冷卻器框架的背面預留板片檢修及更換的空間;而管殼式冷卻器則需要預留抽流體管道的檢修場所，因此相同換熱量的板式冷卻器所需空間一般只是管殼式冷卻器的10%～20%;

（3）在設計和計算換熱面積時比較容易組合，如果需要增加或減少換熱能力，只需要增加或減少板片的數量;而管殼式冷卻器因其外殼尺寸及內部空間尺寸固定，成型后不能改變其換熱面積;

（4）板片較薄、重量輕。板片的設計厚度通常只有0.4～0.8 mm;而管殼式冷卻器的換熱外殼管的壁厚通常不小于2.0 mm，其殼體比板式冷卻器的框架重很多，因此板式冷卻器的重量一般只有管殼式冷卻器的20%左右;

（5）海水冷卻器的板片通常采用鈦板、淡水冷卻器和油冷卻器通常采用不銹鋼板片，防腐蝕性好;

（6）板片加工可采用模具沖壓加工，標準化生產程度高，容易形成流水線生產，且加工質量容易控制，生產效率高;而管殼式冷卻器熱交換管無法形成流水線加工，生產效率低;

（7）板片可拆卸，其污垢可用機械法清洗;而管殼式冷卻器，在使用過程中產生的污垢殘留在管殼內壁上，隨著使用時間的延長，積存的污垢不易清洗干凈，往往需要化學清洗;但板式冷卻器因板片數量較多，其清洗工作量則往往比管式冷卻器大;

（8）板式冷卻器的液體容量較小，濕式重量輕;

（9）密封墊圈老化、墊片安裝時未壓緊、板片變形、墊片安裝前存有砂子或鐵屑等因素，均有可能導致板式冷卻器泄漏;而管式冷卻器通常不存在上述問題。

3? ? ?板式冷卻器在船舶上的應用

板式冷卻器通常用于船舶中央冷卻水系統（低溫淡水）的中央冷卻器、柴油機缸套水系統（高溫淡水）的缸套水冷卻器以及柴油機滑油冷卻器等。

3.1? ?中央冷卻器配置型式

中央冷卻水系統通常有三種配置型式：3×50%（3臺低溫淡水泵，航行時用2臺，備用1臺）;2×100%（2臺低溫淡水泵，航行時用1臺，備用1臺）;2×100%+1×停泊（2臺低溫淡水泵，航行時用1臺，停泊時使用排量小一些的停泊淡水泵）。通過低溫淡水在中央冷卻器與需冷卻的設備之間不斷循環，使冷卻設備后的熱水進入中央冷卻器由海水冷卻，冷卻器出的低溫淡水溫度通常設為36℃，水溫通常由三通溫控閥自動調節控制;冷卻海水由海水冷卻水泵泵入中央冷卻器后排出舷外。

低溫淡水冷卻的設備主要有：主機缸套水冷卻器、主機滑油冷卻器、空調及冷藏系統、空壓機等。

3.2? ?中央冷卻器的反沖洗設計

由于中央冷卻器的海水側的冷卻介質是海水，易積垢和被污染，從而嚴重影響換熱效率;此外，中央冷卻器的換熱量往往較大，板片數量很多，清洗工作量較大。為此，可以在中央冷卻器的海水側進出口管路上設計旁通管路（見圖1中的雙點劃粗線）及閥件，當板片積垢時利用海水冷卻水泵對板片進行反沖洗;

（1）當No.1中央冷卻器的海水側（冷側）需要清洗時，只需啟動1臺海水泵，海水泵從海水總管抽吸海水，打開蝶閥1和截止閥1，同時關閉蝶閥2、截止閥3、截止閥4、截止閥5和截止閥6，即可實現反沖洗;

（2）同理，當No.2中央冷卻器的海水側（冷側）需要清洗時，只需啟動1臺海水泵，海水泵從海水總管抽吸海水，打開蝶閥2和截止閥2，同時關閉蝶閥1、截止閥3、截止閥4、截止閥5和截止閥7，即可實現反沖洗。

（3）當兩臺中央冷卻器均需要清洗時，啟動2臺海水泵，關閉截止閥3、截止閥4、截止閥5、截止閥6及截止閥7，其余閥均打開，即可實現兩臺冷卻器同時清洗。

設計了中央冷卻器旁通清洗管路后，一旦發現換熱效率有所降低時，可檢查板片是否已經結垢，如果被污染或變臟就可采用反沖洗功能。據使用方意見反饋，打開反沖洗閥及海水泵對板片進行自動的反沖洗，對冷卻效果有較大的改善。

對于主機缸套水冷卻器和滑油冷卻器，由于冷卻介質是比較干凈的淡水，不易發生結垢堵塞現象，因此不必設計反沖洗管路。

中央冷卻器旁通清洗管路圖，見圖1。

3.3? ?主機缸套水冷卻器

主機缸套水泵將高溫水泵入缸套水冷卻器，由低溫冷卻水冷卻，冷卻后的淡水進入主機冷卻缸套。

3.4? ?主機滑油冷卻器

主機滑油泵將滑油循環艙的熱油泵入滑油冷卻器，由低溫淡水冷卻，冷卻后的滑油泵入主機，用于主機各部件潤滑。

4? ? ?板式冷卻器的材料

（1）中央冷卻器的換熱介質通常是海水/淡水，為了防止海水的腐蝕，通常選用0.5 mm厚的鈦板;

（2）缸套水冷卻器換熱介質是淡水/淡水，通常選0. 5 mm厚的SUS304或SUS316不銹鋼;

（3）滑油冷卻器換熱介質是滑油/淡水，通常選0.5mm厚的SUS304或SUS316不銹鋼。

5? ? ?船用冷卻器的選型

船用冷卻器主要有：中央淡水冷卻器、缸套水冷卻器及滑油冷卻器。影響冷卻器能力的是熱交換量和流體流量，冷卻器制造廠據此計算冷卻器熱交換面積、確定板片數量、壓力降及結構框架的尺寸等。

5.1? ?中央冷卻器

中央冷卻水系統向機艙各需淡水冷卻的設備提供低溫冷卻淡水。船廠應根據各種設備所需的熱交換量和使用工況進行計算，確定最大工況的熱交換量，然后計算出每臺冷卻器的熱交換量，將估算結果提供給冷卻器制造廠進行生產。中央冷卻器、海水冷卻泵、低溫淡水冷卻泵的配置有幾種方案（見表1）。

船上需要使用淡水冷卻的主要設施有：主機空冷器、主發電機、主空壓機、滑油冷卻器、缸套水冷卻器、空調及冷藏、大氣冷凝器、中間軸承等。

5.2? ?主機缸套水冷卻器

缸套水冷卻器通常選用不銹鋼板式冷卻器，并按1×100%配置。冷卻器制造廠根據船廠在技術協議中提供的冷卻器熱交換量、缸套水泵流量等進行設計和制造。

5.3? ?主機滑油冷卻器

通常柴油機滑油冷卻器均選用不銹鋼板式冷卻器。主機的活塞、缸套等運動部件主要是通過潤滑油進行潤滑和冷卻的，主機滑油循環艙的滑油由主滑油泵輸送到滑油冷卻器冷卻后泵入主機。通常是在主機滑油日用系統管路上安裝三通溫控閥來調節進入冷卻器的淡水流量，以使滑油溫度滿足設定值。冷卻器制造廠根據船廠在技術協議中提供的冷卻器熱交換量、液體流量等進行設計和制造。滑油冷卻器通常按1×100%配置。

5.4? ?污垢系數確定

通常要求中央冷卻器考慮15%～20%的污垢系數;缸套水冷卻器及滑油冷卻器考慮15%的富裕度。

6? ? ?船用冷卻器的常見故障及預防措施

6.1? ?常見故障

（1）堵塞

① 雜物堵塞

板式冷卻器大多是以水為載熱體的換熱系統，在使用過程中，水中含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等異物將會進入板與板之間的間隙導致堵塞，一旦濾網不能有效地發揮其作用時就容易發生雜物堵塞;

② 水垢堵塞

如果水質不達標，水中的鈣、鎂、碳酸鹽遇熱后分解為碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀物粘結在板片上，久而久之就會形成堅硬的水垢引起堵塞。

堵塞會導致板片導熱性能變差，造成換熱器換熱效率降低以及熱能的嚴重浪費。

（2） 泄漏

① 泄漏的原因

密封墊老化失效的原因主要有;安裝時固定螺栓未上緊;擰緊螺栓不均勻，壓偏了墊片;墊片上有砂子、鐵屑、焊渣等雜物;板片變形;

② 泄露的危害

一旦出現泄漏，將會使系統壓力降低，影響冷卻效果。

6.2? ? 預防措施

（1） 防止堵塞的措施

① 保持設備運行中的壓力、溫度、管內流速等參數在規定的范圍內;

② 確保水質要求.必須對系統中的水和膨脹水箱的軟化水進行嚴格的水質化驗，合格后才能注入系統中;

③ 新系統投入運行時，應將集中冷卻器與系統分開，循環一段時間后再將冷卻器并入系統中，以避免系統中的雜質進入集中冷卻器;

④ 在冷卻系統中， 不定期的對過濾器進行反沖洗和人工清理;

⑤ 所有2 mm以上的顆粒在進入冷卻器之前要盡可能地過濾掉。

（2） 防止泄漏的措施

① 安裝前確保墊片上無砂子、油污、鐵屑和焊渣等雜物，以免引起泄漏;

② 擰緊螺栓時用力要均勻，并不斷地測量兩壓緊板內側的距離，保證兩壓緊板平行度偏差不大于3 mm，夾緊到規定尺寸后平行度偏差不大于1 mm;

③ 采用液壓試驗的水溫應不低于5 ℃，試驗時應緩慢升壓，試驗完成后應適當地松開壓緊螺母，放出積水后再擰緊螺母，夾緊到原尺寸。

7? ? ?結束語

板式冷卻器具有換熱效率高、體積小、重量輕、污垢易清除等特點，廣泛運用于船舶中央冷卻水系統、缸套水冷卻系統、滑油冷卻系統及MGO的冷卻系統等。

參考文獻

[1]陳可越.船舶設計實用手冊（輪機分冊）.[M].北京：中國交通科技出版社.1999：83-90.

[2]楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊. [M].機械工業出版社.1998：21-210.