船用板式冷卻器的選型及配置

穆名

摘? ? 要：船舶動(dòng)力裝置在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，而這些熱能需要進(jìn)行熱交換后才能維持設(shè)備正常的運(yùn)行，板式冷卻器就是船舶冷卻系統(tǒng)重要的熱交換設(shè)備。船用板式冷卻器采用海水或淡水作為冷卻介質(zhì)，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的板片結(jié)構(gòu)將熱量帶走，以滿(mǎn)足設(shè)備進(jìn)口的液體溫度。船舶的中央淡水冷卻系統(tǒng)、主機(jī)缸套水冷卻系統(tǒng)以及滑油冷卻系統(tǒng)均采用了板式冷卻器。本文簡(jiǎn)要介紹板式冷卻器的特點(diǎn)、選型及配置方法，可供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：船用;板式冷卻器;應(yīng)用;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.81 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiǎn)稱(chēng)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(mǎn)足不同要求的溝槽，安裝在金屬框架上用螺栓通過(guò)夾板夾緊。螺栓往往預(yù)留有一定的長(zhǎng)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(duì)不同的冷卻介質(zhì)，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(yōu)缺點(diǎn)

（1） 熱傳導(dǎo)效率高。因?yàn)椴捎玫氖遣煌牟y板相互組合，流體在波紋板間形成旋轉(zhuǎn)的三維流動(dòng)，可以在很低的雷諾數(shù)情況下產(chǎn)生紊流，所以熱傳導(dǎo)效率較高;

（2）結(jié)構(gòu)非常緊湊。占用船的面積較小，只需在冷卻器框架的背面預(yù)留板片檢修及更換的空間;而管殼式冷卻器則需要預(yù)留抽流體管道的檢修場(chǎng)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(shè)計(jì)和計(jì)算換熱面積時(shí)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(shù)量;而管殼式冷卻器因其外殼尺寸及內(nèi)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)程度高，容易形成流水線(xiàn)生產(chǎn)，且加工質(zhì)量容易控制，生產(chǎn)效率高;而管殼式冷卻器熱交換管無(wú)法形成流水線(xiàn)加工，生產(chǎn)效率低;

（7）板片可拆卸，其污垢可用機(jī)械法清洗;而管殼式冷卻器，在使用過(guò)程中產(chǎn)生的污垢殘留在管殼內(nèi)壁上，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，積存的污垢不易清洗干凈，往往需要化學(xué)清洗;但板式冷卻器因板片數(shù)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(shí)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(dǎo)致板式冷卻器泄漏;而管式冷卻器通常不存在上述問(wèn)題。

3? ? ?板式冷卻器在船舶上的應(yīng)用

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

3.1? ?中央冷卻器配置型式

中央冷卻水系統(tǒng)通常有三種配置型式：3×50%（3臺(tái)低溫淡水泵，航行時(shí)用2臺(tái)，備用1臺(tái)）;2×100%（2臺(tái)低溫淡水泵，航行時(shí)用1臺(tái)，備用1臺(tái)）;2×100%+1×停泊（2臺(tái)低溫淡水泵，航行時(shí)用1臺(tái)，停泊時(shí)使用排量小一些的停泊淡水泵）。通過(guò)低溫淡水在中央冷卻器與需冷卻的設(shè)備之間不斷循環(huán)，使冷卻設(shè)備后的熱水進(jìn)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(shè)為36℃，水溫通常由三通溫控閥自動(dòng)調(diào)節(jié)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(shè)備主要有：主機(jī)缸套水冷卻器、主機(jī)滑油冷卻器、空調(diào)及冷藏系統(tǒng)、空壓機(jī)等。

3.2? ?中央冷卻器的反沖洗設(shè)計(jì)

由于中央冷卻器的海水側(cè)的冷卻介質(zhì)是海水，易積垢和被污染，從而嚴(yán)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(shù)量很多，清洗工作量較大。為此，可以在中央冷卻器的海水側(cè)進(jìn)出口管路上設(shè)計(jì)旁通管路（見(jiàn)圖1中的雙點(diǎn)劃粗線(xiàn)）及閥件，當(dāng)板片積垢時(shí)利用海水冷卻水泵對(duì)板片進(jìn)行反沖洗;

（1）當(dāng)No.1中央冷卻器的海水側(cè)（冷側(cè)）需要清洗時(shí)，只需啟動(dòng)1臺(tái)海水泵，海水泵從海水總管抽吸海水，打開(kāi)蝶閥1和截止閥1，同時(shí)關(guān)閉蝶閥2、截止閥3、截止閥4、截止閥5和截止閥6，即可實(shí)現(xiàn)反沖洗;

（2）同理，當(dāng)No.2中央冷卻器的海水側(cè)（冷側(cè)）需要清洗時(shí)，只需啟動(dòng)1臺(tái)海水泵，海水泵從海水總管抽吸海水，打開(kāi)蝶閥2和截止閥2，同時(shí)關(guān)閉蝶閥1、截止閥3、截止閥4、截止閥5和截止閥7，即可實(shí)現(xiàn)反沖洗。

（3）當(dāng)兩臺(tái)中央冷卻器均需要清洗時(shí)，啟動(dòng)2臺(tái)海水泵，關(guān)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(kāi)，即可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)冷卻器同時(shí)清洗。

設(shè)計(jì)了中央冷卻器旁通清洗管路后，一旦發(fā)現(xiàn)換熱效率有所降低時(shí)，可檢查板片是否已經(jīng)結(jié)垢，如果被污染或變臟就可采用反沖洗功能。據(jù)使用方意見(jiàn)反饋，打開(kāi)反沖洗閥及海水泵對(duì)板片進(jìn)行自動(dòng)的反沖洗，對(duì)冷卻效果有較大的改善。

對(duì)于主機(jī)缸套水冷卻器和滑油冷卻器，由于冷卻介質(zhì)是比較干凈的淡水，不易發(fā)生結(jié)垢堵塞現(xiàn)象，因此不必設(shè)計(jì)反沖洗管路。

中央冷卻器旁通清洗管路圖，見(jiàn)圖1。

3.3? ?主機(jī)缸套水冷卻器

主機(jī)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(jìn)入主機(jī)冷卻缸套。

3.4? ?主機(jī)滑油冷卻器

主機(jī)滑油泵將滑油循環(huán)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(jī)，用于主機(jī)各部件潤(rùn)滑。

4? ? ?板式冷卻器的材料

（1）中央冷卻器的換熱介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǎng)據(jù)此計(jì)算冷卻器熱交換面積、確定板片數(shù)量、壓力降及結(jié)構(gòu)框架的尺寸等。

5.1? ?中央冷卻器

中央冷卻水系統(tǒng)向機(jī)艙各需淡水冷卻的設(shè)備提供低溫冷卻淡水。船廠(chǎng)應(yīng)根據(jù)各種設(shè)備所需的熱交換量和使用工況進(jìn)行計(jì)算，確定最大工況的熱交換量，然后計(jì)算出每臺(tái)冷卻器的熱交換量，將估算結(jié)果提供給冷卻器制造廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)。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(jiàn)表1）。

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

5.2? ?主機(jī)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(chǎng)根據(jù)船廠(chǎng)在技術(shù)協(xié)議中提供的冷卻器熱交換量、缸套水泵流量等進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。

5.3? ?主機(jī)滑油冷卻器

通常柴油機(jī)滑油冷卻器均選用不銹鋼板式冷卻器。主機(jī)的活塞、缸套等運(yùn)動(dòng)部件主要是通過(guò)潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻的，主機(jī)滑油循環(huán)艙的滑油由主滑油泵輸送到滑油冷卻器冷卻后泵入主機(jī)。通常是在主機(jī)滑油日用系統(tǒng)管路上安裝三通溫控閥來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入冷卻器的淡水流量，以使滑油溫度滿(mǎn)足設(shè)定值。冷卻器制造廠(chǎng)根據(jù)船廠(chǎng)在技術(shù)協(xié)議中提供的冷卻器熱交換量、液體流量等進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造?；屠鋮s器通常按1×100%配置。

5.4? ?污垢系數(shù)確定

通常要求中央冷卻器考慮15%～20%的污垢系數(shù);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(jiàn)故障及預(yù)防措施

6.1? ?常見(jiàn)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(tǒng)，在使用過(guò)程中，水中含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等異物將會(huì)進(jìn)入板與板之間的間隙導(dǎo)致堵塞，一旦濾網(wǎng)不能有效地發(fā)揮其作用時(shí)就容易發(fā)生雜物堵塞;

② 水垢堵塞

如果水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，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(jié)在板片上，久而久之就會(huì)形成堅(jiān)硬的水垢引起堵塞。

堵塞會(huì)導(dǎo)致板片導(dǎo)熱性能變差，造成換熱器換熱效率降低以及熱能的嚴(yán)重浪費(fèi)。

（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(shí)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(xiàn)泄漏，將會(huì)使系統(tǒng)壓力降低，影響冷卻效果。

6.2? ? 預(yù)防措施

（1） 防止堵塞的措施

① 保持設(shè)備運(yùn)行中的壓力、溫度、管內(nèi)流速等參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi);

② 確保水質(zhì)要求.必須對(duì)系統(tǒng)中的水和膨脹水箱的軟化水進(jìn)行嚴(yán)格的水質(zhì)化驗(yàn)，合格后才能注入系統(tǒng)中;

③ 新系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將集中冷卻器與系統(tǒng)分開(kāi)，循環(huán)一段時(shí)間后再將冷卻器并入系統(tǒng)中，以避免系統(tǒng)中的雜質(zhì)進(jìn)入集中冷卻器;

④ 在冷卻系統(tǒng)中， 不定期的對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行反沖洗和人工清理;

⑤ 所有2 mm以上的顆粒在進(jìn)入冷卻器之前要盡可能地過(guò)濾掉。

（2） 防止泄漏的措施

① 安裝前確保墊片上無(wú)砂子、油污、鐵屑和焊渣等雜物，以免引起泄漏;

② 擰緊螺栓時(shí)用力要均勻，并不斷地測(cè)量?jī)蓧壕o板內(nèi)側(cè)的距離，保證兩壓緊板平行度偏差不大于3 mm，夾緊到規(guī)定尺寸后平行度偏差不大于1 mm;

③ 采用液壓試驗(yàn)的水溫應(yīng)不低于5 ℃，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)緩慢升壓，試驗(yàn)完成后應(yīng)適當(dāng)?shù)厮砷_(kāi)壓緊螺母，放出積水后再擰緊螺母，夾緊到原尺寸。

7? ? ?結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)，廣泛運(yùn)用于船舶中央冷卻水系統(tǒng)、缸套水冷卻系統(tǒng)、滑油冷卻系統(tǒng)及MGO的冷卻系統(tǒng)等。

參考文獻(xiàn)

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