箱式冷卻器的原理特點(diǎn)及安裝介紹

盧 鋒

（泰州口岸船舶有限公司 泰州225300）

引 言

箱式冷卻器又稱為舷外冷卻器（Box Cooler），由多束銅管組成的冷卻器直接安裝在海水箱中，節(jié)省了機(jī)艙空間和運(yùn)行成本。

箱式冷卻器一般應(yīng)用于主機(jī)、發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備等系統(tǒng)的冷卻降溫目的，適用的船型包括中小型貨船、油船、拖船、駁船、漁船、渡輪、供給船、冷藏船、破冰船等。

本文就泰州口岸船廠建造的17500 t 化學(xué)品/油船為例，介紹了箱式冷卻器的工作原理、產(chǎn)品特點(diǎn)、安裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容。

1 工作原理

箱式冷卻器由水箱、隔筋墊片、管板、安裝墊片、安裝法蘭和管束等部分構(gòu)成。集成的U 型管束脹接到管板上，再通過螺栓將管板與海水箱頂板上的安裝法蘭固定。

箱式冷卻器的冷卻效果通過船舶航行時(shí)的強(qiáng)制循環(huán)或靜止時(shí)的自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)船舶處于航行狀態(tài)時(shí)，冷卻海水通過底部格柵進(jìn)入海水箱，然后沿著U 型管束外部經(jīng)頂部格柵流出，通過船舶航行產(chǎn)生的冷卻海水強(qiáng)制循環(huán)過程達(dá)到冷卻效果。當(dāng)船舶處于碼頭或錨地等非航行狀態(tài)時(shí)，海水箱內(nèi)的冷卻海水與船內(nèi)冷卻淡水系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，舷外海水因溫度升高導(dǎo)致密度變小從而向上流動(dòng)后排出海水箱，同時(shí)底部溫度較低的海水通過底部格柵進(jìn)入海水箱，這樣就形成了向上的自然循環(huán)過程，最終達(dá)到冷卻效果（見圖1）。

圖1 箱式冷卻器熱交換過程示意

2 產(chǎn)品特點(diǎn)

概括來說，箱式冷卻器與常規(guī)板式熱交換器（或管殼式熱交換器）相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不需布置冷卻海水管路

箱式冷卻器安裝在海水箱中與舷外冷卻海水直接進(jìn)行熱交換。常規(guī)冷卻海水系統(tǒng)所需的冷卻水泵、濾器、閥件、無縫鋼管等耐海水腐蝕且維修成本較高的部件均不需要設(shè)置，舷外海水不需引入機(jī)艙，系統(tǒng)和管路布置簡(jiǎn)單。（2）節(jié)省機(jī)艙空間

采用箱式冷卻器可節(jié)省較多機(jī)艙空間。在不改變船體結(jié)構(gòu)布置的前提下能夠獲得更多空間來布置設(shè)備和管路，對(duì)于中小型船舶來說顯得尤為重要，且簡(jiǎn)約的系統(tǒng)布置亦能減少船員日常操作及后期維護(hù)的工作量。

（3）節(jié)省電站功率

傳統(tǒng)冷卻海水系統(tǒng)，約30 kW 的二級(jí)泵耗油約6 L/h；采用箱式冷卻器，若按每年平均運(yùn)行5000 h 計(jì)，便可節(jié)省燃油30000 L，且沒有二級(jí)冷卻管路設(shè)備后續(xù)的營(yíng)運(yùn)維護(hù)費(fèi)用也可降低。

（4）船舶作業(yè)水域不受限

因?yàn)橄贤夂Ｋ灰霗C(jī)艙，不存在因水質(zhì)較差導(dǎo)致濾器、冷卻器等冷卻水管路附件受堵的問題，適合在冰區(qū)、淺吃水或受污染的水域進(jìn)行作業(yè)的船舶。

（5）后期維護(hù)簡(jiǎn)單

箱式冷卻器構(gòu)造簡(jiǎn)便，管束采用耐腐蝕材料不易結(jié)垢，在內(nèi)部檢查及試驗(yàn)時(shí)都不用拆除管束。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在開始使用箱式冷卻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，船廠設(shè)計(jì)人員要與設(shè)計(jì)公司、相關(guān)廠家和船東保持緊密溝通，了解箱式冷卻器廠家的設(shè)計(jì)要求及與之相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備布置特點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容。

3.1 冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用箱式冷卻器的冷卻水系統(tǒng)一般設(shè)置獨(dú)立回路，通常分為主機(jī)高溫水、主機(jī)低溫水以及發(fā)電機(jī)與輔助設(shè)備低溫水3 個(gè)獨(dú)立回路系統(tǒng)。

核算箱式冷卻器的流阻壓降值，適當(dāng)調(diào)整柴油機(jī)的機(jī)帶水泵和電動(dòng)水泵的額定壓頭，避免在設(shè)備系泊試驗(yàn)時(shí)遇到問題。

需保證箱式冷卻器的正常工作壓力值在廠家可接受的范圍內(nèi)。箱式冷卻器安裝在機(jī)艙底層的海水箱中，在冷卻水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，箱式冷卻器的正常工作壓力來自水泵產(chǎn)生的壓力加上膨脹水箱安裝高度產(chǎn)生的靜壓頭。如箱式冷卻器長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，將會(huì)大大縮短使用壽命。

3.2 海水箱布置的設(shè)計(jì)

為保證箱式冷卻器的換熱性能，海水箱內(nèi)的冷卻器布置及格柵開孔面積等前期設(shè)計(jì)考慮因素非常關(guān)鍵：

（1）實(shí)際的海水箱格柵開孔面積必須大于廠家明確標(biāo)注在技術(shù)協(xié)議中的格柵開孔面積，并考慮一定的余量。如果一個(gè)海水箱中放置了多個(gè)冷卻器，那么所需格柵開孔總面積需大于多個(gè)冷卻器所需面積的累計(jì)值［4］。

（2）為使管束外壁有足夠的空間保證冷卻效果，箱式冷卻器的管束和船體結(jié)構(gòu)之間距離應(yīng)盡可能大于100 mm，參見圖2。

圖2 管束周圍自由流通距離要求

（3）格柵的開孔方向參見圖3。格柵進(jìn)口開孔沿船寬方向，格柵出口開孔沿船長(zhǎng)方向，這樣可確保船舶航行時(shí)獲得更好的海水冷卻流通循環(huán)效果。

3.3 冷卻器換熱面積的設(shè)計(jì)

采用箱式冷卻器的船舶因舷外卻海水系統(tǒng)不引入機(jī)艙，故沒有強(qiáng)制冷卻循環(huán)功能。在技術(shù)協(xié)議階段應(yīng)要求廠家按船舶靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)水流的自然流動(dòng)確定冷卻器的換熱面積，確保船舶處于碼頭或錨地等靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)也可以達(dá)到設(shè)計(jì)換熱效率。17500 t化學(xué)品/油船按下述要求設(shè)計(jì)：

圖3 格柵開孔方向要求

（1）主機(jī)高溫箱式冷卻器：最小航速3 kn；

（2）主機(jī)低溫箱式冷卻器：最小航速3 kn；

（3）發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備低溫箱式冷卻器：靜止?fàn)顟B(tài)0 kn；

（4）箱式冷卻器的清潔裕度按規(guī)格書要求執(zhí)行。

3.4 冷卻器外形設(shè)計(jì)和安裝方式

箱式冷卻器的外形設(shè)計(jì)和布置方案靈活多變，可根據(jù)海水箱的形狀或系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行多種優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）冷卻管束可設(shè)計(jì)成圓形或方形；

（2）如海水箱空間限制， 冷卻管束也可設(shè)計(jì)成階梯式結(jié)構(gòu)；

（3）可設(shè)計(jì)多個(gè)冷卻器串聯(lián)或并聯(lián)；

（4）組合式冷卻器也是可能的（即高低溫水用同一個(gè)冷卻器安裝座板）。

箱式冷卻器比較常見的安裝方式為頂裝式，即從海水箱頂部向下吊裝；如船東有特殊要求，也可采用底裝式，即從海水箱底部向上吊裝。兩種安裝方式的主要區(qū)別參見下頁表1、圖4 和圖5。

表1 安裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖4 頂裝式箱式冷卻器

圖5 底裝式箱式冷卻器

3.5 船體分段劃分

箱式冷卻器安裝前需確保海水箱內(nèi)部舾裝件、油漆等已具備完工狀態(tài)，因海水箱內(nèi)部空間有限，一旦冷卻器安裝結(jié)束，其內(nèi)部的打磨、補(bǔ)焊、完工油漆等工作均無法進(jìn)行。

在設(shè)計(jì)初始進(jìn)行分段劃分時(shí)應(yīng)充分考慮施工便利性，安裝箱式冷卻器海水箱應(yīng)劃分到同一分段中，確保無大合攏焊縫施工等因素影響后續(xù)設(shè)備安裝。

4 本體防腐措施

箱式冷卻器的管束單元全部浸沒在海水中工作，雖然管束材料具有很強(qiáng)的耐海水腐蝕性，但冷卻器管束外部若不采用涂層保護(hù)，使用6 個(gè)月后就會(huì)產(chǎn)生銅銹，也容易產(chǎn)生生物污垢，例如貝類、螺類、海藻等海生物。當(dāng)箱式冷卻器上剛開始有附著生物時(shí)，很難觀察到冷卻器對(duì)熱性能的影響，只有當(dāng)冷卻器表面完全被生物污染，管束銅管之間的流通通道堵塞后才能進(jìn)行直觀判斷。

目前比較簡(jiǎn)單有效的本體外部防腐措施是冷卻器管束和所有與海水接觸的地方都使用耐海水腐蝕材料，并且表面噴涂酚酞或酚醛樹脂油漆涂層以避免冷卻器和船體之間產(chǎn)生電流從而造成電化學(xué)腐蝕，涂層也保護(hù)冷卻器不受沉積物的腐蝕。通常在海水箱中增設(shè)犧牲陽極鋅塊或外加電流保護(hù)（ICCP）電極以增強(qiáng)防腐效果。［2］

冷卻器內(nèi)部防腐措施采用添加冷卻水抑制劑的方法，根據(jù)冷卻水系統(tǒng)用途、溫度不同添加對(duì)應(yīng)的冷卻水抑制劑。如冷卻水系統(tǒng)中不添加抑制劑，可能會(huì)導(dǎo)致管路內(nèi)部的微生物繁殖，從而腐蝕管路和設(shè)備內(nèi)部材料。微生物的新陳代謝也會(huì)產(chǎn)生垃圾，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的積累會(huì)形成粘性層粘連在管路內(nèi)壁，從而影響冷卻效果或堵塞冷卻銅管。

5 防止生物污染措施正常運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的外加電流防海生物保護(hù)裝置（ICAF）相比，熱防污系統(tǒng)（TAS）對(duì)環(huán)境沒有任何影響，無需額外布置電極，進(jìn)一步降低了營(yíng)運(yùn)維護(hù)成本。

管束單元外部防止生物污染的措施可采用外加電流防海生物保護(hù)裝置（ICAF）或熱防污系統(tǒng)（TAS）。

外加電流防海生物保護(hù)裝置（ICAF）通過對(duì)安裝在海水箱內(nèi)冷卻器底部的陽極銅棒施加微電流釋放出有毒的銅離子，形成一個(gè)對(duì)海洋生物生存有害的環(huán)境，從而阻礙海生物的生長(zhǎng)。電解釋放的有毒1 階銅離子僅能短時(shí)間存在，會(huì)很快變成2 階的銅離子，所以對(duì)環(huán)境幾乎沒有污染［2］。通過調(diào)整控制電流大小，可以控制銅棒溶解的速度，陽極銅棒使用壽命一般為3年或5年。

熱防污系統(tǒng)（TAS）根據(jù)海生物不耐熱的特性，在停泊、碼頭工況時(shí)首先操作預(yù)先安裝在海水箱內(nèi)的百葉窗關(guān)閉裝置，關(guān)閉海水箱出口格柵處的流通通道，將海水箱內(nèi)部改變?yōu)橄鄬?duì)封閉的環(huán)境，通過船內(nèi)多余蒸汽、輔機(jī)高溫水等系統(tǒng)提供的熱能升高冷卻器中的淡水溫度，加熱低溫的箱式冷卻器表面，以類似煮海鮮的方式祛除或殺滅已附著在管束單元外部的海生物［3］。

冷卻水系統(tǒng)中需單獨(dú)布置一臺(tái)換熱器、輸送泵和相應(yīng)的獨(dú)立管路，低溫冷卻淡水系統(tǒng)與外部熱源加熱系統(tǒng)管路互相獨(dú)立。多余蒸汽或輔機(jī)高溫水在低溫冷卻水系統(tǒng)外部加熱系統(tǒng)中的淡水，通過獨(dú)立管路和輸送泵，逐一加熱海水箱內(nèi)的箱式冷卻器。

需要注意的是輔機(jī)TAS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全依賴于輔機(jī)高溫冷卻水系統(tǒng)所能提供的限定熱量，因此，系統(tǒng)熱量的核算及設(shè)備之間的協(xié)作是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，應(yīng)在最終熱平衡計(jì)算時(shí)特別關(guān)注。TAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用應(yīng)當(dāng)在保證工作中的一臺(tái)輔機(jī)正常安全運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)，因此，在系統(tǒng)中需設(shè)置溫控閥實(shí)施控制保護(hù)［3］，確保系泊狀態(tài)下輔機(jī)

6 施工準(zhǔn)備和過程控制

箱式冷卻器因其安裝位置的特殊性（如船舶下水后出現(xiàn)問題則必須再次進(jìn)塢處理），所以安裝過程的控制和保護(hù)措施極其重要。

箱式冷卻器在國內(nèi)應(yīng)用不多，多數(shù)設(shè)計(jì)人員對(duì)其比較陌生，所以需充分了解廠家的安裝手冊(cè)要求，結(jié)合船廠實(shí)際情況編制《箱式冷卻器安裝工藝》文件。工藝中應(yīng)包含箱式冷卻器的運(yùn)輸起吊、座板焊接、安裝步驟、螺栓緊固和保護(hù)措施等內(nèi)容。

安裝前需會(huì)同生產(chǎn)部門和施工單位進(jìn)行技術(shù)交底會(huì)議，確保相關(guān)人員了解并清楚安裝過程要求。

7 結(jié) 語

隨著國際海事組織對(duì)于船舶節(jié)能減排目標(biāo)要求進(jìn)一步提高以及船東對(duì)于降低船舶營(yíng)運(yùn)成本的目標(biāo)控制，許多船東考慮在中、小型船上安裝箱式冷卻器，以降低能耗、減少廢氣排放，從而減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和降低船舶營(yíng)運(yùn)成本。

目前國內(nèi)項(xiàng)目中采用箱式冷卻器的新造船數(shù)量不多，希望本文能為設(shè)計(jì)人員提供一定參考。