船用汽水板式換熱器的應用研究

段文利 DUAN Wen-li；崔永龍 CUI Yong-long；謝志豪 XIE Zhi-hao

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

板式換熱器相對管殼式換熱器在艦船上應用更加廣泛，工程技術人員一直致力于提高板式換熱器換熱效率、使結構更加緊湊的工作[1]，發展至今，技術相對成熟，但在蒸汽側冷凝水排放問題上研究較少。傳統汽水板式換熱器需不斷調整蒸汽量以控制艙室負荷。負荷變化導致蒸汽側冷凝水難以排放，進而影響蒸汽調節閥的使用壽命和艙室環境控制，以往認為是蒸汽調節閥的質量及其控制問題，但頻繁地更換閥門并不能真正解決現有問題。研究汽水板式換熱器的冷凝水排放問題對提高艦船艙室環境控制非常必要。

1 板式換熱器介紹

板式換熱器由于其高效、緊湊的結構特點，已在各領域中得到了廣泛的應用，自從德國在1878年發明了板式換熱器并成功申請專利以來，板式換熱器已經經歷了百年多歷史。到了20世紀七八十年代，板式換熱器發展快速，品種增多，逐漸成為高性能、大參數的產品。

板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬板片疊裝壓緊而成的一種換熱器，冷熱兩種流體通過金屬板片達到換熱目的。板式換熱器特點[2-4]：

①結構緊湊、占地面積較小。在同樣的有效傳熱面積情況下，單位體積內的換熱面積是管殼式換熱器的2~5倍，而占地面積僅為管殼式換熱器的10%～20%。②重量較輕。板片厚度僅為0.4~0.8mm，壁厚僅為2.0~2.5mm，而且不存在殼體，框架較輕，耗材少，節約成本。③傳熱系數高。板式換熱器中不同波紋金屬板相互倒置，構成復雜流道，流體在較小的流速下能夠形成湍流，而且效果明顯，所以具有較高的傳熱系數，可達2000~6000W/（m2·℃），一般是管殼式換熱器的3～5倍。④對數平均溫差大。管殼式換熱器采用修正系數來計算對數平均溫差，導致修正系數較??；板式換熱器的流體是通過并流或逆流的方式，使得溫差修正系數一般較大，通常為0.95。⑤末端溫差小、污垢系數低、能實現多種介質換熱、容易改變換熱面積或流程組合以及較為便捷的清洗等。

由于板式換熱器特點，相比常用的管殼式換熱器優勢非常明顯，再加船舶艙室空間緊張，采用設備要求結構緊湊和質量小，所以艦船上換熱器更多使用板式換熱器。

圖1 板式換熱器

2 冷凝水排放問題分析

冬季艙室負荷調節，通常在汽水板式換熱器蒸汽側設置蒸汽流量調節閥調節蒸汽流量來控制汽水換熱量，進而達到控制負荷的目的。當艙室內負荷降低時，蒸汽流量調節閥開度減少，蒸汽流量降低，換熱量減少。在減少蒸汽調節閥開度的過程中，板換蒸汽側蒸汽冷凝速度大于蒸汽進入速度，導致蒸汽側內部形成負壓，疏水閥蒸汽側壓力小于環境背壓，冷凝水排放受阻，冷凝水水位上升，汽水換熱面積減少，會進一步導致汽水換熱量降低。當艙室負荷增加后，蒸汽流量調節閥開度增大，蒸汽流量增加，換熱量增加。在蒸汽的作用下，疏水閥蒸汽側壓力大于環境背壓，冷凝水排水順暢，冷凝水位迅速下降，汽水換熱面積快速增大，汽水換熱量會進一步增大。

艙室所需負荷高低的變化，通過蒸汽流量的增減來控制，但由于冷凝水排放問題，汽水換熱面積也在被動變化。蒸汽流量增減和汽水換熱面積變化疊加使板換負載變化速度較大，一方面，蒸汽調節閥開度頻繁變化，使用壽命降低；另一方面，造成冷凝水的積聚和迅速排放，蒸汽側汽水液面上下振蕩，產生水錘效應，長時間的沖擊使得板片變形甚至損壞，換熱能力大大降低，嚴重影響板式換熱器的使用壽命。

工程設計人員在選用板式換熱器時，通常留有10%余量，甚至更大，通過增加板式換熱器的換熱金屬片片數，以防止使用后產生污垢，影響傳熱效率。換熱金屬片片數增多也會使流體流速降低，大大減少阻力，對于泵的選擇更加有利。但板式換熱器增加余量會使得上述問題更加嚴重。所以，解決冷凝水排放問題對板式換熱器更好地使用非常必要。

3 冷凝水排放方案

3.1 疏水閥和破真空閥結合使用

考慮到當艙室內負荷降低時，蒸汽側內部形成負壓，疏水閥蒸汽側壓力小于環境背壓，造成冷凝水無法正常排放。我們在蒸汽入口安裝破真空閥，解決由于冷凝引起的真空，使得蒸汽管路保持正壓，冷凝水可以順利排放。

這種控制方式，設備選用簡單，成本低，便于調試，適用于噸位較小艦船的改造。但是，由于破真空閥的使用，使得空氣進入蒸汽管路，需要排除空氣，同時可能出現腐蝕；這種設備通常用于負荷較小的設備。（圖2）

圖2 疏水閥和破真空閥結合使用排放冷凝水方案示意圖

3.2 疏水閥和機械泵結合使用

考慮到當艙室內負荷降低時，蒸汽側內部負壓造成冷凝水無法正常排放。我們在冷凝水排放管路上安裝機械泵和疏水閥，提供機械動力，強制將被動積聚的冷凝水排走。

這種控制方式，設備管路較為復雜，需要在板式換熱器下留有一定的設備空間安裝冷凝水儲存罐和閥件。（圖3）

圖3 疏水閥和機械泵結合使用排放冷凝水方案示意圖

3.3 氣動疏水閥

同樣考慮到當艙室內負荷降低時，蒸汽側內部負壓造成冷凝水無法正常排放。我們在冷凝水排放管路上安裝氣動疏水閥，將被動積聚的冷凝水排走。冷凝水進入自動疏水閥，使得浮球上升，浮球和疏水閥機構相連[5-6]。如果上游壓力足以克服背壓，氣動疏水閥僅充當普通疏水閥，冷凝水正常排出。當蒸汽管路內形成負壓，低于環境背壓，傳統的疏水閥無法正常排水。而對于氣動疏水閥，此時充當泵，動力來源于蒸汽。冷凝水增多，蒸汽口打開，蒸汽進入閥體后，閥內壓力增大，超過背壓，冷凝水即可正常排放[7]。閥內冷凝水水位下降，關閉蒸汽進口，同時打開蒸汽排放口，一直到閥內壓力再平衡。在自動疏水閥冷凝水出口安裝有止回閥，防止沒有冷凝水回流到疏水閥內。（圖4）

圖4 使用氣動疏水閥排放冷凝水方案示意圖

3.4 綜合控制方案

通過前三種方案可以解決冷凝水排放問題，但是通過蒸汽側來控制換熱量，一方面，負載變化快使得板式換熱器出水溫度控制困難；另一方面，冷凝水在飽和狀態排放，高溫冷凝水在回收或者排放時，產生二次蒸汽，不僅浪費能源，還污染環境。所以需要一套綜合控制方案，在負荷變化時，使得冷凝水順利排放，板式換熱器出水溫度也能快速穩定在設計值。

板式換熱公式可以表達為：

式中，A：換熱面積；k：傳熱系數；Δt：平均溫差。

根據汽水換熱公式，影響汽水換熱量的因素有：換熱面積，傳熱系數和平均溫差。通過分析，可以考慮通過控制汽水換熱面積達到控制汽水換熱量的目的。

如果將調節閥安裝在冷凝水管道上，通過調節換熱器有效汽水換熱面積滿足負荷變化，可以看成汽水換熱器串聯水水換熱器，并且汽水換熱器的面積隨負載的變化隨時間可調。因此換熱器內始終存在一個水水換熱面積，可以降低冷凝水的排放溫度，實現冷凝水過冷排放。（圖5）

圖5 綜合控制方案示意圖

T1、T2的溫度在正常工作情況下溫度相近，穩定在T0（熱媒水設計出水溫度）。

負荷降低，由于回水溫度升高，再經過板換熱媒水的出水溫度會升高，T1、T2的溫度升高。通過b閥門調節，使得板式換熱器中冷凝水位上升，減少板換中蒸汽和熱媒水換熱面積以降低換熱量。當T1、T2溫度接近T0時，并穩定下來，關閉b閥門。當負荷段負荷波動較大，負荷快速降低，T1、T2的溫度快速升高，打開b閥門，同時打開a閥門，通過旁通使得出水溫度快速降低。當T1、T2溫度接近T0時，并穩定下來，關閉a、b閥門。

負荷升高，回水溫度降低，通過b閥門調節，使得板式換熱器中冷凝水位下降，增加板換中蒸汽和熱媒水換熱面積以提高換熱量。當T1、T2溫度接近T0時，并穩定下來，關閉a閥門。

4 結論

相對其他換熱器，板式換熱器由于其高效換熱、結構緊湊的特點，在艙室空間通常緊張的艦船上廣泛應用。但由于負載變化快導致冷凝水無法正常排放而引起一系列的問題，尤其無法保證熱媒水溫度穩定在設計值，導致艙室環境難以控制，無法給艦員提供舒適的生活及工作環境。

通過分析蒸汽側冷凝水難以排放原因，提出四種方案解決冷凝水排放問題，其中第四種方法最優，不僅解決冷凝水排放問題，而且使供、排水溫度穩定控制，為后續板式換熱器的使用提供參考。改變傳統控制蒸汽流量來控制汽水換熱量的方式，而是通過調節板式換熱器中冷凝水液位高低來控制汽水實際換熱面積，進而達到控制汽水換熱量的目的，實現在艙室負荷變化的情況下，提供溫度穩定的熱媒水，使艙室環境更加舒適，有利于艦員的工作及生活。