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(shè)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(shè)備研究所，上海 200031）

本文通過(guò)對(duì)不同型式換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)及性能的對(duì)比分析，討論了在船用條件下，應(yīng)用于滑油冷卻設(shè)備的制約因素，得出了管殼式熱交換器結(jié)構(gòu)是當(dāng)前船用滑油冷卻器的主選結(jié)構(gòu)型式的結(jié)論。

換熱設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊小型化；

2）由于船用換熱設(shè)備一般是利用海水冷卻，一旦海水泄漏至熱端流體可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至影響整個(gè)動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行，因此船用換熱設(shè)備對(duì)密封性能與可靠性要求高；

3）船體在運(yùn)行過(guò)程中，可能遭遇振動(dòng)、沖擊、大角度傾斜及噪音等惡劣工況；

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

1 應(yīng)用背景

滑油冷卻器作為一種廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、化工、船舶、制冷和機(jī)械等領(lǐng)域的換熱設(shè)備[1]，其主要作用為冷卻潤(rùn)滑油，在汽輪機(jī)以及發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，保持其軸承的溫度在正常范圍內(nèi)。采用循環(huán)水作為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱交換，使具有一定溫差的兩種液體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱交換，從而達(dá)到降低油溫使之達(dá)到規(guī)定值，確保機(jī)組的正常運(yùn)行?？梢哉f(shuō)，滑油冷卻器是一種必不可少的換熱設(shè)備，其正常、穩(wěn)定地運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的重要保證。

換熱設(shè)備是船舶動(dòng)力裝置中的重要設(shè)備。與陸用換熱設(shè)備相比，海洋應(yīng)用環(huán)境及使用要求給船用換熱設(shè)備帶來(lái)諸多特殊額外的制約因素[2]：

2 各型換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其工作特點(diǎn)

換熱器的種類和型式很多，對(duì)于應(yīng)用液-液或液-汽換熱的換熱器來(lái)說(shuō)，若按照傳熱面型式來(lái)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(nèi)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、適應(yīng)壓力范圍廣、使用材料廣泛設(shè)計(jì)，制造和使用技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，特別在溫度高和壓力高等工況下，占有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。主要結(jié)構(gòu)形式有3種[3]。

2.1.1 蛇管式熱交換器

圖1為幾種常見(jiàn)沉浸式蛇管換熱器。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和造價(jià)低廉等特點(diǎn)。管子可承受較大的流體介質(zhì)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(shè)備笨重，不適于制造大型換熱器。

圖2為常見(jiàn)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(guò)彎頭連接，被冷卻的流體在管內(nèi)流動(dòng)，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(nèi)。噴淋式蛇管式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是與沉浸式相比，管外流體的傳熱系數(shù)大，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于制造安裝，便于檢修和清洗。其缺點(diǎn)是體積也較大，有時(shí)噴淋效果不夠理想[4]。

圖2 常見(jiàn)噴淋式蛇管換熱器

2.1.2 套管式換熱器

常見(jiàn)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(shí)，兩種不同溫度的流體分別從內(nèi)管和套管環(huán)隙流過(guò)，并多以逆流方式進(jìn)行，從而傳熱面兩側(cè)都有較高的換熱系數(shù)，特別適合于高壓、低傳熱系數(shù)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(chǎng)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(yīng)用最廣泛的換熱設(shè)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(jìn)出口接管。為了增加流體在管外空間的流速，往往在殼體內(nèi)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(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊，造價(jià)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(duì)流和熱傳導(dǎo)為主要手段的換熱設(shè)備，其傳熱效率比管式換熱器高，是一種高效、緊湊、節(jié)能的換熱設(shè)備。該設(shè)備以波紋板為傳熱面，采用板材制作，生產(chǎn)成本低，但其耐壓性能較管式換熱器低，主要結(jié)構(gòu)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(shù)高、不易結(jié)垢、易清洗、結(jié)垢緊湊、材料利用率高等特點(diǎn)，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(diǎn)是換熱器的密封比較困難。而且一旦發(fā)生泄漏，常常由于無(wú)法有效檢測(cè)漏點(diǎn)位置并進(jìn)行修補(bǔ)，而只能整臺(tái)報(bào)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(diǎn)就是傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊。但板翅形換熱器流道小，容易產(chǎn)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(jìn)行機(jī)械清洗。適用于粘度系數(shù)較小的氣體介質(zhì)進(jìn)行熱量交換。另外，制造工藝要求嚴(yán)格，工藝過(guò)程復(fù)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(jié)構(gòu)緊湊、清洗方便和易維修等優(yōu)點(diǎn)。但由于板式換熱器板片周邊太長(zhǎng)，易滲漏。此外，由于流道狹小，應(yīng)當(dāng)避免流體中含有直徑較大的顆粒，通常不要超過(guò)平均通道的三分之一。在相等流速條件下，板式換熱器相對(duì)于管殼式換熱器的壓降要高出許多，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)板式熱交換器中流體速度較低且長(zhǎng)度較短，實(shí)際產(chǎn)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(jiàn)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(yīng)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(huì)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(yùn)行。要使換熱器能在給定的船用條件下很好的運(yùn)行，必須在熟悉和掌握各型換熱器的結(jié)構(gòu)及其工作特點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合船用換熱設(shè)備的限制，對(duì)船用換熱器進(jìn)行合理的選擇。

蛇管式換熱器由于其傳熱效率低，設(shè)備體積較大，因此不適用于船用換熱設(shè)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(shè)備。

對(duì)于螺旋板式換熱器來(lái)說(shuō)，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(shí)其具有不易檢修的特性，因此也不適用于船用換熱設(shè)備。

由于在船用滑油冷卻器中，海水側(cè)容易結(jié)垢而且常伴隨水生物附著，因此往往需要定時(shí)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(chǎn)生堵塞或結(jié)垢，清洗很困難。所以也不適用于船用換熱設(shè)備。

板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備，使用靈活，拆裝清洗方便。但考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)還有一些限制：

1）目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)板式換熱器的一般許用壓力低于管殼式換熱器，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力酌情選用；

2）海水的鹽度較高，尤其是其中的氯離子對(duì)于板片的腐蝕比較嚴(yán)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(jié)垢，當(dāng)板片表面的污垢嚴(yán)重時(shí)，介質(zhì)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(zhǎng)，滲漏機(jī)會(huì)大。

因此，板式換熱器要應(yīng)用在船用換熱設(shè)備中，還需要克服這些困難。

4 結(jié)論

通過(guò)以上比較分析發(fā)現(xiàn)，管殼式熱交換器換熱能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，兩側(cè)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(chǎng)合下具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，滿足船用滑油冷卻器的各種制約因素，是當(dāng)前船用滑油冷卻設(shè)備的主選結(jié)構(gòu)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(chǎn)品。

[1]南金秋.滑油冷卻器強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士論文, 2008.

[2]邱金榮,賈臻,龔自力,徐俊峰.船用換熱設(shè)備選型分析及小型化技術(shù)應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2012,34(10), 98-101.

[3]劉月芹.淺談?chuàng)Q熱器的分類和特點(diǎn)[J].化工設(shè)計(jì)通訊,2003(3):39-42.

[4]賈俊峰.摩托車取暖裝置研究[D].重慶大學(xué)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(shù), 2010(4): 59-62.

上半年全球新船訂單同比降近兩成

據(jù)韓國(guó)《朝鮮日?qǐng)?bào)》等媒體日前報(bào)道，韓國(guó)造船界和英國(guó)克拉克松研究公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，今年上半年，全球新船訂單量為944艘、2048萬(wàn)修正總噸，按修正總噸計(jì)，同比減少17.2%。其中，中國(guó)船企接單量繼續(xù)穩(wěn)居世界第一位，韓國(guó)船企接單量降幅較大。

上半年，中國(guó)船企承接新船訂單481艘、909萬(wàn)修正總噸，總金額為145.56億美元，按修正總噸計(jì)，同比下降7.8%，占國(guó)際市場(chǎng)份額的44%。韓國(guó)船企承接新船訂單164艘、555萬(wàn)修正總噸，總金額為132億美元，按修正總噸計(jì)，同比下降29.5%，占國(guó)際市場(chǎng)份額的27%。日本船企承接新船訂單177艘、345萬(wàn)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(guó)船企手持新船訂單2443艘、4499萬(wàn)修正總噸。韓國(guó)船企手持新船訂單886艘、3295萬(wàn)修正總噸。日本船企手持新船訂單939艘、1842萬(wàn)修正總噸。

上半年，雖然全球新船訂單量出現(xiàn)下降，新船價(jià)格卻持續(xù)回升，克拉克松新船價(jià)格指數(shù)在5月份最高漲至140點(diǎn)，進(jìn)入6月份才出現(xiàn)回落。

韓國(guó)造船界人士認(rèn)為，上半年的全球新船訂單中，相當(dāng)一部分是去年新船價(jià)格處于低位時(shí)，船東下的選擇權(quán)訂單。船價(jià)持續(xù)回升是船東急于讓這些訂單“轉(zhuǎn)正”的主要原因。對(duì)于下半年的國(guó)際船舶市場(chǎng)走勢(shì)，韓國(guó)造船界人士認(rèn)為，雖然歐洲船舶融資政策趨于寬松，但受運(yùn)力過(guò)剩等不利因素的影響，新船市場(chǎng)仍不容樂(lè)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(jī)。