船舶轮机中板式换热器的有效应用

秦伟民

（南通象屿海洋装备有限责任公司，江苏 南通 226300）

0 引言

随着海运工作的不断开展，船舶轮机的运行效率显著提升，对板式换热器的性能提出了更高要求。现阶段板式换热器的种类不断丰富，其功能的增加为海运发展提供了必要的保障。但是根据现有的运用经验发现，板式换热器在使用过程中还存在一定的问题，表现为成本偏高、所遭受的冲击力偏大等。上述问题的存在可能会影响该装置的进一步推广，为了能够顺应未来行业的发展要求，则需要了解板式换热器的相关技术内容及其应用方法，这也是本文研究的主要目的。

1 板式换热器研究

1.1 板式换热器的几种常见类型

从硬件设备发展现状来看，常见的板式换热器主要分为以下类型：1）板翅式换热器。该换热器主要组成部分包括封条、翅片以及隔板等几种类型，在经过多层基本换热单元叠加之后形成新型装置，常见结构形式包括叉流式、逆流式等，通常在不同的工况下可选择不同类型的翅片类型。作为一种现代化的换热器结构，板翅式换热器具有结构紧凑、质量轻等优点，且检测结果显示，该装置在换热时的传导系数最高值可达到350 W/（m2· K），相比之下，传统管式换热器的传热系数仅为35 W/（m2· K），两者相比，显然板翅式换热器的传热系数水平更高[1]。同时检测结果证明，该装置的承压能力约为9.8 MPa，单位面积内装置的换热面积约为2500 m2。根据该装置的应用经验可以发现，板翅式换热器存在检修难度高、容易堵塞等质量问题，所以主要被用于腐蚀性低、清洁度高的流体换热器装置中。2）平行板式换热器。该装置是由若干个几何结构相同的平行薄平板叠加而成，在角上设置流体通道孔，并且可通过密封垫片将相邻平板之间分隔之后形成通道，在该结构下可以促使冷热流体快速流通。此时为保证刚度与换热效果，通常在平板设计中会设置不同类型的波纹。根据装置的检测结果可知，该装置在对流水-水换热时的传热系数最高值可达到7000 W/（m2·K），且因为装置结构简单，因此清洗过程简单。同时,该装置一旦出现密封垫片损坏，则会造成泄漏，所以难以适应大流量传热的要求，所以该装置主要被应用在150℃以下流体的处置中。3）螺旋板式换热器。该换热器主要由2张金属薄板卷成等距离螺旋通道，并与连接管、上下盖板等装置等固定在一起，流体从中心流入之后可从周边流出，并且该装置也满足逆流式的运行要求。同时该装置内部的污垢形成速度更慢，且整个装置的构造简单，因此具有推广可行性。但是该装置的承压能力低、检修难度小，只适用于0.98 MPa以下的压力检测要求。

所以可以根据装置的不同应用场景,选择不同的结构工艺，这样才能全面提升船舶轮机整体性能。

1.2 原理与构造

板式换热器的主要结构包括盲板、通道板、端板、通道密封等装置，在该装置中，端板与盲板被设置在装置的两端，且通道板被设置在中间点，密封系统则是被固定在端板与通道板之间。在该结构的作用下可以构建多个容腔，并且在通道板的4个角位置设置4个圆孔。板式换热器允许加热装置与被加热装置之间有效接触，因此在船舶轮机中该装置能够形成快速换热的目的。在板式换热器中将板式流道断面调整为复杂的几何形式，这样在介质经过系统之后，其流动方向与流动速度不会发生明显变化，尤其是在低流速的情况下，可在内部形成湍流，可以保证传热效果。

1.3 板式换热器的构造

板式换热器的结构简单，主要设备包括板片、垫片、框架等连接部分，具体如表1所示。

表1 板式换热器的主要结构

同时在现有板式换热器结构的基础上，装置的波纹沟槽可以分为：1）密封槽，主要被设置在板片周围位置，在零部件组装过程中可以将橡胶片等直接镶嵌在密封槽中。2）传热部分波纹槽，采用了人字形布置方案，其断面检测结果显示为波纹状特征，可将其固定在密封槽范围内，该部位波纹槽可以维持特定距离，构成介质通道。3）导向沟槽，主要被固定在角孔周围的密封槽中，有介质导向的功能。

1.4 板式换热器的特征

板式换热器的特征主要表现为 ：1） 有更高的传热效率。由于在装置中将板片压制成波纹形态，故流体在运行过程中，会因为波纹作用而不断变化流动方向并产生湍动效果，再加板片的厚度仅为0.5～1.0 mm，这种板片可以强化热交换效果，其传热系数最高值可能达到6000 W/（m2· K）。2）拥有更小的滞液量。由于板式换热器装置的传热面积更大，与列管式结构相比，装置的重量更轻，所以该装置能够保持更快的启动速度，可在工况发生改变的情况下进行快速反应。3）适用性更强。该装置满足灵活组装的要求，且装置的负荷适应能力更强，为了能够顺应不同工况，只需要选择增加或者减少板片就可以调整组织形式，所以该装置的应用范围更广。

2 板式换热器在船舶轮机中应用的优点

2.1 有较高的热传系数

从传热效率来看，该装置的性能符合需求，尤其是传热系数更高，保证了装置的性能。从前文的相关资料中可知，典型的板式换热器的传热系数约为2000～6000 W/（m2·K），并且在船舶轮机中，因为波纹钢板装置的存在，在结构内部会形成复杂的流道，在流体运行期间可维持三维流动，尤其是当装置内的雷诺数为50～200时会导致内部出现湍流。

2.2 热损失小且热回收率高

因为板式换热器具有结构紧凑的特征，所以可以有效控制换热器的外表面面积，由此所产生的散热会更小。在假设传热系数相同的情况下，板式换热器的热损失约占总传热量的1%[2]。又因为板式换热器的传热系数高，所以在流程中可以形成超过99%的逆流热交换，该装置可借助不同介质之间的温差来保证较高的热回收率，与常规热交换器的50%相比具有显著效果。

2.3 体积小

体积小是板式换热器的显著优点，这是因为换热器在单位体积内的换热面积明显高于常规换热器，并且该设备不需要预留检修场地，所以当系统在执行换热任务时，该装置的占地面积仅为常规换热器的1/5。同时板式换热器的板片厚度更小，因此设备的框架质量更轻。

2.4 其他优点

1）有更强的适用性。板式换热器的结构简单，组装过程灵活，且该装置对于复杂条件下的负荷展现出很强的适用性，如为了能够增加或者减少热负荷，只需要增减板片数量即可，在改进后即可适用复杂工况。从应用经验来看，该装置能够满足使用蒸汽乃至高粘度液体时的运行要求，且从含小直径固体颗粒的流体到含纤维的悬浮液体均可使用等。从产品介质运行温度来看，板式换热器可在-25～200℃的温度范围内使用；该装置也能够用于系统加热、冷凝以及冷却等反应过程的工艺要求。或者工作人员也可以根据工艺结构要求来调整垫片开口位置，这种改进方法能够适应复杂工艺的生产要求。2）不易结垢。因为板式换热器使用了波纹状的形状，该装置可以强化液体流动的要求，在液体流动中不会产生低流速区，基本不会产生结垢以及腐蚀等问题。因为该装置可以在低流速下出现湍流，而在湍流的作用下，会导致粒子悬浮、聚集减少，以及积垢等问题的发生；即使装置结构表面发生了结垢，该污染物也可以直接清洗，减少污染；板片采用了叠加制成的方法，在发生结垢后可以拆开清洗，消除污染。3）整个装置具有投资费用低的优点。这是因为板式换热器的结构简单，且单位传热面积金属耗量低且关键部件均可以采用集中化生产的要求，有助于控制装置的建设成本。同时该装置通过冲压成形的处理工艺，在生产过程中不会预留焊点，有助于模块化安装与生产，该装置后期运行中发生故障概率的风险较低，保证了装置稳定性。最后使用优质金属板材加工该装置，对于各种介质形成了良好的耐受性，因此提升了装置的使用年限，具有明显优势。

3 板式换热器在船舶中应用的问题与解决方法

3.1 针对船舶设备要求结构紧凑的要求

从技术应用来看，板式换热器具有更满意的物理性能，这也为该装置的推广提供了必要的支持。研究可知，板式换热器具有体积小且质量轻的优点，这也意味着板式换热器可以顺应船舶轮机的结构优化要求。现阶段在板式换热器中，相关学者通常会采用空心钢碳板加强肋的结构模式，在该特殊结构的作用下，有助于改善整个桥梁的受力问题，使原本复杂的空间结构变得更加简单、便捷，对于船舶轮机整体结构的改进有重要意义。结合相关学者的有限元分析结果可以研究发现，为满足船用设备的性能要求，在板式换热器结构中可以根据应力应变的分布要求来改进整个板式换热器的结构，减少结构中不必要的部分；同时为满足正常的使用要求，也可以选择对板式换热器中的较薄部位进行加厚等，确保整个结构能够满足船舶轮机的运行要求。在该装置加工过程中，可通过整体切割的加工方法来消除其中的焊接变形问题，并消除残余应力等，所以在应用该装置时能够不断优化船舶轮机的结构，并解决传统装置存在的结构占地面积偏大的问题。

3.2 针对板式换热器的冲击性大问题

在船舶轮机中使用的板式换热器为多点固定的方法，该固定连接方法的关键点，要对所有可固定的部件做紧固连接，尤其针对其中的特殊部位，可以使用加强肋结构的固定方法，在船舶轮机中应用该装置有助于提升紧固效果，避免因为船舶摇晃、振动等现象而导致板式换热器的移位。

3.3 因为冷却介质特殊性的要求

海水的显著体征是具有更高的含盐浓度，但是从化学性质来看，氯离子的存在会造成严重的金属材料腐蚀问题，这对于延长装置使用年限是不利的，因此在板片选择上，通常会选择具有良好抗腐蚀性能的钛合金材料，该装置不仅具有更加稳固的化学性质，可以降低海水侵蚀作用对金属结构造成的伤害。同时该材料的质量更轻，加工难度更小。在船舶轮机运行期间，针对板式换热器的性能问题，相关人员可以按照《板式换热器》的相关性能进行检验，根据板片的着色渗透检验结果对板体的性能展开评估，根据检验结果可以对板体做防霉、防腐等磷化处理方法，这种处理方法的显著优点，是可以延长设备的使用年限，并使设备具有更强的防腐效果。

3.4 针对传热介质的问题

因为水的比热容明显大于油，受到这物理机制的影响，换热器在热量转换过程中会产生较大的温差，温差的出现则会影响系统的热传递效果。因此在该系统的支持下，为强化板式换热器的功能，则需要随时观察油水传热性能，由此来保证换热裕度达标，最终提升整个板式换热器的性能[3]。

3.5 成本管理要求

现阶段板式换热器的成本偏低，有助于控制船舶轮机系统的整体造价，因此该装置可以为企业创造更多的经济效益，这与板式换热器技术的快速发展存在相关性。同时在该装置维护中，板式换热器发生故障风险的概率较低，一般认为，若该装置能够正常运作，则在维护过程中只需要进行简单的清洗即可；若因为各种原因而导致该装置的运行过程出现异常，由于整个构件的成本较低，工作人员可以随时更换故障零部件，进而保证板式换热器能够产生良好的换热效果。

4 结语

在船舶轮机中，板式换热器的出现对于提升整个装置的性能具有深远影响，因此对于工作人员而言，在未来工作中应该认识到板式换热器性能的影响，在了解该装置性能优势的基础上提供必要的技术支持，这样才能充分适应未来船舶技术发展要求。工作人员应考虑优化换热器、解决船舶轮机运行不稳定的方法，同时关注冲击与后期维护工作，采用科学的方法来提升设备性能，最终全面提升板式换热器的整体性能，成为推动行业发展的关键点。