船用汽水板式換熱器的應(yīng)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(shè)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(yīng)用更加廣泛，工程技術(shù)人員一直致力于提高板式換熱器換熱效率、使結(jié)構(gòu)更加緊湊的工作[1]，發(fā)展至今，技術(shù)相對成熟，但在蒸汽側(cè)冷凝水排放問題上研究較少。傳統(tǒng)汽水板式換熱器需不斷調(diào)整蒸汽量以控制艙室負(fù)荷。負(fù)荷變化導(dǎo)致蒸汽側(cè)冷凝水難以排放，進(jìn)而影響蒸汽調(diào)節(jié)閥的使用壽命和艙室環(huán)境控制，以往認(rèn)為是蒸汽調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量及其控制問題，但頻繁地更換閥門并不能真正解決現(xiàn)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(huán)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(jié)構(gòu)特點，已在各領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，自從德國在1878年發(fā)明了板式換熱器并成功申請專利以來，板式換熱器已經(jīng)經(jīng)歷了百年多歷史。到了20世紀(jì)七八十年代，板式換熱器發(fā)展快速，品種增多，逐漸成為高性能、大參數(shù)的產(chǎn)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(dá)到換熱目的。板式換熱器特點[2-4]：

①結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)約成本。③傳熱系數(shù)高。板式換熱器中不同波紋金屬板相互倒置，構(gòu)成復(fù)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(shù)，可達(dá)2000~6000W/（m2·℃），一般是管殼式換熱器的3～5倍。④對數(shù)平均溫差大。管殼式換熱器采用修正系數(shù)來計算對數(shù)平均溫差，導(dǎo)致修正系數(shù)較?。话迨綋Q熱器的流體是通過并流或逆流的方式，使得溫差修正系數(shù)一般較大，通常為0.95。⑤末端溫差小、污垢系數(shù)低、能實現(xiàn)多種介質(zhì)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(yōu)勢非常明顯，再加船舶艙室空間緊張，采用設(shè)備要求結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)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(fù)荷調(diào)節(jié)，通常在汽水板式換熱器蒸汽側(cè)設(shè)置蒸汽流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)蒸汽流量來控制汽水換熱量，進(jìn)而達(dá)到控制負(fù)荷的目的。當(dāng)艙室內(nèi)負(fù)荷降低時，蒸汽流量調(diào)節(jié)閥開度減少，蒸汽流量降低，換熱量減少。在減少蒸汽調(diào)節(jié)閥開度的過程中，板換蒸汽側(cè)蒸汽冷凝速度大于蒸汽進(jìn)入速度，導(dǎo)致蒸汽側(cè)內(nèi)部形成負(fù)壓，疏水閥蒸汽側(cè)壓力小于環(huán)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(jìn)一步導(dǎo)致汽水換熱量降低。當(dāng)艙室負(fù)荷增加后，蒸汽流量調(diào)節(jié)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(cè)壓力大于環(huán)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(jìn)一步增大。

艙室所需負(fù)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(fù)載變化速度較大，一方面，蒸汽調(diào)節(jié)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(cè)汽水液面上下振蕩，產(chǎn)生水錘效應(yīng)，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(yán)重影響板式換熱器的使用壽命。

工程設(shè)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(shù)，以防止使用后產(chǎn)生污垢，影響傳熱效率。換熱金屬片片數(shù)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(yán)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(jié)合使用

考慮到當(dāng)艙室內(nèi)負(fù)荷降低時，蒸汽側(cè)內(nèi)部形成負(fù)壓，疏水閥蒸汽側(cè)壓力小于環(huán)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(shè)備選用簡單，成本低，便于調(diào)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(jìn)入蒸汽管路，需要排除空氣，同時可能出現(xiàn)腐蝕；這種設(shè)備通常用于負(fù)荷較小的設(shè)備。（圖2）

圖2 疏水閥和破真空閥結(jié)合使用排放冷凝水方案示意圖

3.2 疏水閥和機(jī)械泵結(jié)合使用

考慮到當(dāng)艙室內(nèi)負(fù)荷降低時，蒸汽側(cè)內(nèi)部負(fù)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(jī)械泵和疏水閥，提供機(jī)械動力，強(qiáng)制將被動積聚的冷凝水排走。

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

圖3 疏水閥和機(jī)械泵結(jié)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(dāng)艙室內(nèi)負(fù)荷降低時，蒸汽側(cè)內(nèi)部負(fù)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(jìn)入自動疏水閥，使得浮球上升，浮球和疏水閥機(jī)構(gòu)相連[5-6]。如果上游壓力足以克服背壓，氣動疏水閥僅充當(dāng)普通疏水閥，冷凝水正常排出。當(dāng)蒸汽管路內(nèi)形成負(fù)壓，低于環(huán)境背壓，傳統(tǒng)的疏水閥無法正常排水。而對于氣動疏水閥，此時充當(dāng)泵，動力來源于蒸汽。冷凝水增多，蒸汽口打開，蒸汽進(jìn)入閥體后，閥內(nèi)壓力增大，超過背壓，冷凝水即可正常排放[7]。閥內(nèi)冷凝水水位下降，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口，同時打開蒸汽排放口，一直到閥內(nèi)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(nèi)。（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(cè)來控制換熱量，一方面，負(fù)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(tài)排放，高溫冷凝水在回收或者排放時，產(chǎn)生二次蒸汽，不僅浪費(fèi)能源，還污染環(huán)境。所以需要一套綜合控制方案，在負(fù)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(wěn)定在設(shè)計值。

板式換熱公式可以表達(dá)為：

式中，A：換熱面積；k：傳熱系數(shù)；Δt：平均溫差。

根據(jù)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(shù)和平均溫差。通過分析，可以考慮通過控制汽水換熱面積達(dá)到控制汽水換熱量的目的。

如果將調(diào)節(jié)閥安裝在冷凝水管道上，通過調(diào)節(jié)換熱器有效汽水換熱面積滿足負(fù)荷變化，可以看成汽水換熱器串聯(lián)水水換熱器，并且汽水換熱器的面積隨負(fù)載的變化隨時間可調(diào)。因此換熱器內(nèi)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(xiàn)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(wěn)定在T0（熱媒水設(shè)計出水溫度）。

負(fù)荷降低，由于回水溫度升高，再經(jīng)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(diào)節(jié)，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(dāng)T1、T2溫度接近T0時，并穩(wěn)定下來，關(guān)閉b閥門。當(dāng)負(fù)荷段負(fù)荷波動較大，負(fù)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(dāng)T1、T2溫度接近T0時，并穩(wěn)定下來，關(guān)閉a、b閥門。

負(fù)荷升高，回水溫度降低，通過b閥門調(diào)節(jié)，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(dāng)T1、T2溫度接近T0時，并穩(wěn)定下來，關(guān)閉a閥門。

4 結(jié)論

相對其他換熱器，板式換熱器由于其高效換熱、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，在艙室空間通常緊張的艦船上廣泛應(yīng)用。但由于負(fù)載變化快導(dǎo)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(wěn)定在設(shè)計值，導(dǎo)致艙室環(huán)境難以控制，無法給艦員提供舒適的生活及工作環(huán)境。

通過分析蒸汽側(cè)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(yōu)，不僅解決冷凝水排放問題，而且使供、排水溫度穩(wěn)定控制，為后續(xù)板式換熱器的使用提供參考。改變傳統(tǒng)控制蒸汽流量來控制汽水換熱量的方式，而是通過調(diào)節(jié)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(jìn)而達(dá)到控制汽水換熱量的目的，實現(xiàn)在艙室負(fù)荷變化的情況下，提供溫度穩(wěn)定的熱媒水，使艙室環(huán)境更加舒適，有利于艦員的工作及生活。