冷卻系統在船舶與海洋工程上的應用研究

王玉璽 孟 超

上海外高橋造船海洋工程有限公司

冷卻系統在船舶與海洋工程上的應用研究

王玉璽 孟 超

上海外高橋造船海洋工程有限公司

隨著我國經濟的快速發展，從而為我國船舶和海洋工程事業的發展帶來了很好的機遇，但是目前冷卻系統在海洋環境應用當中的有關研究與文獻卻是出現嚴重不足的情況，并且不能夠很好的設計與選型指導的現狀，本文主要從海洋環境常用冷卻系統以及三種常用散熱器在海上應用的比較等方面進行了闡述。

船舶與海洋工程；冷卻系統；污垢系數

近年來，我國船舶與海洋工程領域取得了很大的進步與發展，但是我國關于冷卻系統在船舶與海洋工程當中應用的文獻是極其缺乏。與此同時，許多冷卻系統的設計與生產企業依然還是處于在探索的階段，面對海洋環境的復雜性與工程要求的特殊性，承擔著很大的風險。

1、海洋環境常用冷卻系統分析

1.1 風冷式冷卻系統

風冷系統的結構形式如圖1所示。

風冷式冷卻系統主要是由動力源與風扇以及散熱器芯組模塊等組合而成，通過機械設備帶動風扇轉動，運用強制對流的作用，帶走系統當中多余的熱量來達到散熱的目的。由于空氣的比熱容低于水，因此同樣的熱量假如以風冷方式散出就需要非常大的風量。

1.2 管殼式冷卻系統

管殼式冷卻系統屬于間壁式換熱器，其換熱管內的流體通道稱為管程，換熱管外的流體通道稱為殼程。當管程和殼程分別流經兩種不同溫度的流體時，溫度相對高的流體經過換熱管壁把熱量傳遞給溫度相對低的流體，溫度相對高的流體被冷卻，溫度相對低的流體被加熱，進而完成兩流體的換熱。

1.3 板式冷卻系統

板式冷卻系統由通道板、盲板、端板、端封以及通道密封組成。幾何形狀復雜的板間流道斷面使得其具有較高的傳熱系數，這是因為介質經過時，流動方向和流動速度在不斷變化，流速很低時還會產生湍流，強化了傳熱效果。

2、三種常用散熱器在海上應用的比較分析

2.1 污垢系數

板式換熱器的污垢系數比管殼式換熱器的污垢系數小得多，其原因是板式換熱器由于板間流體的劇烈湍流，雜質不易沉積；板片間流體通道的流通死區小；用不銹鋼制作的換熱面光滑且清洗容易。而管殼式換熱器內殼程流體的流動比較復雜，存在著旁路和死區，清洗較為困難，雜質容易沉積而形成污垢。

2.2 工作壓力和溫度

換熱器耐壓和耐熱能力由結構和材料所決定。管殼式換熱器的材料選擇范圍較大，只有殼體兩端用墊片密封，且對墊片的壓緊力很大，通常可以適應比較寬的溫度和壓力。密封墊片材料決定了板式換熱器的工作溫度。

2.3 工作噪聲

風冷式冷卻系統由于是強制空氣對流散熱，所以散熱設備通常噪音相對較高，板式冷卻系統、管殼式冷卻系統工作時則很安靜，因此對于噪音要求較嚴格的地方，適合于用板式或管殼式冷卻系統。

2.4 冷卻效率

衡量冷卻效率的重要指標是傳熱系數。管殼式冷卻系統從換熱角度看不如板式換熱器，板式換熱器有較高的傳熱系數，一般可達12560～20934kJ/m2·h·℃。正常情況下，板式換熱器總傳熱系數比管殼式換熱器大3～5倍以上；在相同換熱面積時板式換熱器流通面積比管殼式換熱器5倍，且壓降小；在最小傳熱溫差方面，管殼式換熱器為3～5℃，板式換熱器為1～3℃。而風冷系統，采用空氣強制制冷，空氣的比熱容大大低于水，所以同樣的熱量如果以風冷方式則需要提供非常大的風量，其相比板式和管殼式傳熱性能較差。

2.5 占地面積及重量

板式換熱器結構緊湊，單位體積內的換熱面積為管殼式換熱器的2～5倍，而且不用像管殼式換熱器那樣要預留出管束的檢修場地。緊湊度：管殼式換熱器為78m2/m3，板式換熱器為220m2/m3。因此實現同樣的換熱任務時，板式換熱器的占地面積約為管殼式換熱器的1/5～1/10。板式換熱器的板片厚度為0.6～0.8mm，管殼式換熱器的換熱管厚度為2.0～2.5mm；管殼式換熱器的殼體比板式換熱器的框架重得多。在完成同樣換熱任務的情況下，板式換熱器所需的換熱面積比管殼式換熱器的小，即板式換熱器的重量輕，大約為管殼式換熱器的1/5左右。管殼式換熱器和板式換熱器單位體積內的換熱面積雖比風冷式都大，但風冷式占地面積則相比前兩者都要小，且重量輕，同時在有多組散熱單元的情況下，風冷式散熱器的集成度更高，結構更緊湊。

3、結束語

綜上所述，對于海上冷卻系統，由于海上工作環境的影響與空間上也十分有限，在進行設計的時候要充分考慮好系統的冷卻效率、占地面積與重量、污垢系數、工作噪聲、工作壓力與溫度以及工作噪音等各個方面的影響，只有這樣才能促進冷卻系統在船舶與海洋工程上的應用和發展。

[1]李起潮.板式與管殼式換熱器的比較分析[J].西部糧油科技，2000，25(4)：31-32.

[2]任林.船用大功率中高速柴油機冷卻系統數值分析與試驗研究[D].北京：中國艦船研究院，2012.