船用板式冷却器的选型及配置

穆名

摘    要：船舶动力装置在运行中会产生大量的热能，而这些热能需要进行热交换后才能维持设备正常的运行，板式冷却器就是船舶冷却系统重要的热交换设备。船用板式冷却器采用海水或淡水作为冷却介质，通过设计特殊的板片结构将热量带走，以满足设备进口的液体温度。船舶的中央淡水冷却系统、主机缸套水冷却系统以及滑油冷却系统均采用了板式冷却器。本文简要介绍板式冷却器的特点、选型及配置方法，可供相关人员参考。

关键词：船用;板式冷却器;应用;设计

中图分类号：U664.81                              文献标识码：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

船用板式热交换器（简称板式冷却器），是由多层热交换效率较高的薄金属板片重叠组成。板片通常呈波纹形状，具有满足不同要求的沟槽，安装在金属框架上用螺栓通过夹板夹紧。螺栓往往预留有一定的长度，可按需要加装板片;框架材料通常采用SUS400不锈钢或其它材料，端面采用橡胶垫片，以确保油/水的密封性;针对不同的冷却介质，密封材料有所不同，分别有耐海水（中央板冷）、耐高温（缸套水板冷）、耐油（滑油板冷）的密封材料。

2     板式冷却器的优缺点

（1） 热传导效率高。因为采用的是不同的波纹板相互组合，流体在波纹板间形成旋转的三维流动，可以在很低的雷诺数情况下产生紊流，所以热传导效率较高;

（2）结构非常紧凑。占用船的面积较小，只需在冷却器框架的背面预留板片检修及更换的空间;而管壳式冷却器则需要预留抽流体管道的检修场所，因此相同换热量的板式冷却器所需空间一般只是管壳式冷却器的10%～20%;

（3）在设计和计算换热面积时比较容易组合，如果需要增加或减少换热能力，只需要增加或减少板片的数量;而管壳式冷却器因其外壳尺寸及内部空间尺寸固定，成型后不能改变其换热面积;

（4）板片较薄、重量轻。板片的设计厚度通常只有0.4～0.8 mm;而管壳式冷却器的换热外壳管的壁厚通常不小于2.0 mm，其壳体比板式冷却器的框架重很多，因此板式冷却器的重量一般只有管壳式冷却器的20%左右;

（5）海水冷却器的板片通常采用钛板、淡水冷却器和油冷却器通常采用不锈钢板片，防腐蚀性好;

（6）板片加工可采用模具冲压加工，标准化生产程度高，容易形成流水线生产，且加工质量容易控制，生产效率高;而管壳式冷却器热交换管无法形成流水线加工，生产效率低;

（7）板片可拆卸，其污垢可用机械法清洗;而管壳式冷却器，在使用过程中产生的污垢残留在管壳内壁上，随着使用时间的延长，积存的污垢不易清洗干净，往往需要化学清洗;但板式冷却器因板片数量较多，其清洗工作量则往往比管式冷却器大;

（8）板式冷却器的液体容量较小，湿式重量轻;

（9）密封垫圈老化、垫片安装时未压紧、板片变形、垫片安装前存有砂子或铁屑等因素，均有可能导致板式冷却器泄漏;而管式冷却器通常不存在上述问题。

3     板式冷却器在船舶上的应用

板式冷却器通常用于船舶中央冷却水系统（低温淡水）的中央冷却器、柴油机缸套水系统（高温淡水）的缸套水冷却器以及柴油机滑油冷却器等。

3.1   中央冷却器配置型式

中央冷却水系统通常有三种配置型式：3×50%（3台低温淡水泵，航行时用2台，备用1台）;2×100%（2台低温淡水泵，航行时用1台，备用1台）;2×100%+1×停泊（2台低温淡水泵，航行时用1台，停泊时使用排量小一些的停泊淡水泵）。通过低温淡水在中央冷却器与需冷却的设备之间不断循环，使冷却设备后的热水进入中央冷却器由海水冷却，冷却器出的低温淡水温度通常设为36℃，水温通常由三通温控阀自动调节控制;冷却海水由海水冷却水泵泵入中央冷却器后排出舷外。

低温淡水冷却的设备主要有：主機缸套水冷却器、主机滑油冷却器、空调及冷藏系统、空压机等。

3.2   中央冷却器的反冲洗设计

由于中央冷却器的海水侧的冷却介质是海水，易积垢和被污染，从而严重影响换热效率;此外，中央冷却器的换热量往往较大，板片数量很多，清洗工作量较大。为此，可以在中央冷却器的海水侧进出口管路上设计旁通管路（见图1中的双点划粗线）及阀件，当板片积垢时利用海水冷却水泵对板片进行反冲洗;

（1）当No.1中央冷却器的海水侧（冷侧）需要清洗时，只需启动1台海水泵，海水泵从海水总管抽吸海水，打开蝶阀1和截止阀1，同时关闭蝶阀2、截止阀3、截止阀4、截止阀5和截止阀6，即可实现反冲洗;

（2）同理，当No.2中央冷却器的海水侧（冷侧）需要清洗时，只需启动1台海水泵，海水泵从海水总管抽吸海水，打开蝶阀2和截止阀2，同时关闭蝶阀1、截止阀3、截止阀4、截止阀5和截止阀7，即可实现反冲洗。

（3）当两台中央冷却器均需要清洗时，启动2台海水泵，关闭截止阀3、截止阀4、截止阀5、截止阀6及截止阀7，其余阀均打开，即可实现两台冷却器同时清洗。

设计了中央冷却器旁通清洗管路后，一旦发现换热效率有所降低时，可检查板片是否已经结垢，如果被污染或变脏就可采用反冲洗功能。据使用方意见反馈，打开反冲洗阀及海水泵对板片进行自动的反冲洗，对冷却效果有较大的改善。

对于主机缸套水冷却器和滑油冷却器，由于冷却介质是比较干净的淡水，不易发生结垢堵塞现象，因此不必设计反冲洗管路。

中央冷却器旁通清洗管路图，见图1。

3.3   主机缸套水冷却器

主机缸套水泵将高温水泵入缸套水冷却器，由低温冷却水冷却，冷却后的淡水进入主机冷却缸套。

3.4   主机滑油冷却器

主机滑油泵将滑油循环舱的热油泵入滑油冷却器，由低温淡水冷却，冷却后的滑油泵入主机，用于主机各部件润滑。

4     板式冷却器的材料

（1）中央冷却器的换热介质通常是海水/淡水，为了防止海水的腐蚀，通常选用0.5 mm厚的钛板;

（2）缸套水冷却器换热介质是淡水/淡水，通常选0. 5 mm厚的SUS304或SUS316不锈钢;

（3）滑油冷却器换热介质是滑油/淡水，通常选0.5mm厚的SUS304或SUS316不锈钢。

5     船用冷却器的选型

船用冷却器主要有：中央淡水冷却器、缸套水冷却器及滑油冷却器。影响冷却器能力的是热交换量和流体流量，冷却器制造厂据此计算冷却器热交换面积、确定板片数量、压力降及结构框架的尺寸等。

5.1   中央冷却器

中央冷却水系统向机舱各需淡水冷却的设备提供低温冷却淡水。船厂应根据各种设备所需的热交换量和使用工况进行计算，确定最大工况的热交换量，然后计算出每台冷却器的热交换量，将估算结果提供给冷却器制造厂进行生产。中央冷却器、海水冷却泵、低温淡水冷却泵的配置有几种方案（见表1）。

船上需要使用淡水冷却的主要设施有：主机空冷器、主发电机、主空压机、滑油冷却器、缸套水冷却器、空调及冷藏、大气冷凝器、中间轴承等。

5.2   主机缸套水冷却器

缸套水冷却器通常选用不锈钢板式冷却器，并按1×100%配置。冷却器制造厂根据船厂在技术协议中提供的冷却器热交换量、缸套水泵流量等进行设计和制造。

5.3   主机滑油冷却器

通常柴油机滑油冷却器均选用不锈钢板式冷却器。主机的活塞、缸套等运动部件主要是通过润滑油进行润滑和冷却的，主机滑油循环舱的滑油由主滑油泵输送到滑油冷却器冷却后泵入主机。通常是在主机滑油日用系统管路上安装三通温控阀来调节进入冷却器的淡水流量，以使滑油温度满足设定值。冷却器制造厂根据船厂在技术协议中提供的冷却器热交换量、液体流量等进行设计和制造。滑油冷却器通常按1×100%配置。

5.4   污垢系数确定

通常要求中央冷却器考虑15%～20%的污垢系数;缸套水冷却器及滑油冷却器考虑15%的富裕度。

6     船用冷却器的常见故障及预防措施

6.1   常见故障

（1）堵塞

① 杂物堵塞

板式冷却器大多是以水为载热体的换热系统，在使用过程中，水中含有悬浮的固体颗粒、杂物和水草等异物将会进入板与板之间的间隙导致堵塞，一旦滤网不能有效地发挥其作用时就容易发生杂物堵塞;

② 水垢堵塞

如果水质不达标，水中的钙、镁、碳酸盐遇热后分解为碳酸钙和氢氧化镁沉淀物粘结在板片上，久而久之就会形成坚硬的水垢引起堵塞。

堵塞会导致板片导热性能变差，造成换热器换热效率降低以及热能的严重浪费。

（2） 泄漏

① 泄漏的原因

密封垫老化失效的原因主要有;安装时固定螺栓未上紧;拧紧螺栓不均匀，压偏了垫片;垫片上有砂子、铁屑、焊渣等杂物;板片变形;

② 泄露的危害

一旦出现泄漏，将会使系统压力降低，影响冷却效果。

6.2    预防措施

（1） 防止堵塞的措施

① 保持设备运行中的压力、温度、管内流速等参数在规定的范围内;

② 确保水质要求.必须对系统中的水和膨胀水箱的软化水进行严格的水质化验，合格后才能注入系统中;

③ 新系统投入运行时，应将集中冷却器与系统分开，循环一段时间后再将冷却器并入系统中，以避免系统中的杂质进入集中冷却器;

④ 在冷却系统中， 不定期的对过滤器进行反冲洗和人工清理;

⑤ 所有2 mm以上的颗粒在进入冷却器之前要尽可能地过滤掉。

（2） 防止泄漏的措施

① 安装前确保垫片上无砂子、油污、铁屑和焊渣等杂物，以免引起泄漏;

② 拧紧螺栓时用力要均匀，并不断地测量两压紧板内侧的距离，保证两压紧板平行度偏差不大于3 mm，夹紧到规定尺寸后平行度偏差不大于1 mm;

③ 采用液压试验的水温应不低于5 ℃，试验时应缓慢升压，试验完成后应适当地松开压紧螺母，放出积水后再拧紧螺母，夹紧到原尺寸。

7     结束语

板式冷却器具有换热效率高、体积小、重量轻、污垢易清除等特点，广泛运用于船舶中央冷却水系统、缸套水冷却系统、滑油冷却系统及MGO的冷却系统等。

参考文献

[1]陈可越.船舶设计实用手册（轮机分册）.[M].北京：中国交通科技出版社.1999：83-90.

[2]杨崇麟.板式換热器工程设计手册. [M].机械工业出版社.1998：21-210.