船舶輪機中板式換熱器的有效應用

秦偉民

（南通象嶼海洋裝備有限責任公司，江蘇 南通 226300）

0 引言

隨著海運工作的不斷開展，船舶輪機的運行效率顯著提升，對板式換熱器的性能提出了更高要求?，F階段板式換熱器的種類不斷豐富，其功能的增加為海運發展提供了必要的保障。但是根據現有的運用經驗發現，板式換熱器在使用過程中還存在一定的問題，表現為成本偏高、所遭受的沖擊力偏大等。上述問題的存在可能會影響該裝置的進一步推廣，為了能夠順應未來行業的發展要求，則需要了解板式換熱器的相關技術內容及其應用方法，這也是本文研究的主要目的。

1 板式換熱器研究

1.1 板式換熱器的幾種常見類型

從硬件設備發展現狀來看，常見的板式換熱器主要分為以下類型：1）板翅式換熱器。該換熱器主要組成部分包括封條、翅片以及隔板等幾種類型，在經過多層基本換熱單元疊加之后形成新型裝置，常見結構形式包括叉流式、逆流式等，通常在不同的工況下可選擇不同類型的翅片類型。作為一種現代化的換熱器結構，板翅式換熱器具有結構緊湊、質量輕等優點，且檢測結果顯示，該裝置在換熱時的傳導系數最高值可達到350 W/（m2· K），相比之下，傳統管式換熱器的傳熱系數僅為35 W/（m2· K），兩者相比，顯然板翅式換熱器的傳熱系數水平更高[1]。同時檢測結果證明，該裝置的承壓能力約為9.8 MPa，單位面積內裝置的換熱面積約為2500 m2。根據該裝置的應用經驗可以發現，板翅式換熱器存在檢修難度高、容易堵塞等質量問題，所以主要被用于腐蝕性低、清潔度高的流體換熱器裝置中。2）平行板式換熱器。該裝置是由若干個幾何結構相同的平行薄平板疊加而成，在角上設置流體通道孔，并且可通過密封墊片將相鄰平板之間分隔之后形成通道，在該結構下可以促使冷熱流體快速流通。此時為保證剛度與換熱效果，通常在平板設計中會設置不同類型的波紋。根據裝置的檢測結果可知，該裝置在對流水-水換熱時的傳熱系數最高值可達到7000 W/（m2·K），且因為裝置結構簡單，因此清洗過程簡單。同時,該裝置一旦出現密封墊片損壞，則會造成泄漏，所以難以適應大流量傳熱的要求，所以該裝置主要被應用在150℃以下流體的處置中。3）螺旋板式換熱器。該換熱器主要由2張金屬薄板卷成等距離螺旋通道，并與連接管、上下蓋板等裝置等固定在一起，流體從中心流入之后可從周邊流出，并且該裝置也滿足逆流式的運行要求。同時該裝置內部的污垢形成速度更慢，且整個裝置的構造簡單，因此具有推廣可行性。但是該裝置的承壓能力低、檢修難度小，只適用于0.98 MPa以下的壓力檢測要求。

所以可以根據裝置的不同應用場景,選擇不同的結構工藝，這樣才能全面提升船舶輪機整體性能。

1.2 原理與構造

板式換熱器的主要結構包括盲板、通道板、端板、通道密封等裝置，在該裝置中，端板與盲板被設置在裝置的兩端，且通道板被設置在中間點，密封系統則是被固定在端板與通道板之間。在該結構的作用下可以構建多個容腔，并且在通道板的4個角位置設置4個圓孔。板式換熱器允許加熱裝置與被加熱裝置之間有效接觸，因此在船舶輪機中該裝置能夠形成快速換熱的目的。在板式換熱器中將板式流道斷面調整為復雜的幾何形式，這樣在介質經過系統之后，其流動方向與流動速度不會發生明顯變化，尤其是在低流速的情況下，可在內部形成湍流，可以保證傳熱效果。

1.3 板式換熱器的構造

板式換熱器的結構簡單，主要設備包括板片、墊片、框架等連接部分，具體如表1所示。

表1 板式換熱器的主要結構

同時在現有板式換熱器結構的基礎上，裝置的波紋溝槽可以分為：1）密封槽，主要被設置在板片周圍位置，在零部件組裝過程中可以將橡膠片等直接鑲嵌在密封槽中。2）傳熱部分波紋槽，采用了人字形布置方案，其斷面檢測結果顯示為波紋狀特征，可將其固定在密封槽范圍內，該部位波紋槽可以維持特定距離，構成介質通道。3）導向溝槽，主要被固定在角孔周圍的密封槽中，有介質導向的功能。

1.4 板式換熱器的特征

板式換熱器的特征主要表現為 ：1） 有更高的傳熱效率。由于在裝置中將板片壓制成波紋形態，故流體在運行過程中，會因為波紋作用而不斷變化流動方向并產生湍動效果，再加板片的厚度僅為0.5～1.0 mm，這種板片可以強化熱交換效果，其傳熱系數最高值可能達到6000 W/（m2· K）。2）擁有更小的滯液量。由于板式換熱器裝置的傳熱面積更大，與列管式結構相比，裝置的重量更輕，所以該裝置能夠保持更快的啟動速度，可在工況發生改變的情況下進行快速反應。3）適用性更強。該裝置滿足靈活組裝的要求，且裝置的負荷適應能力更強，為了能夠順應不同工況，只需要選擇增加或者減少板片就可以調整組織形式，所以該裝置的應用范圍更廣。

2 板式換熱器在船舶輪機中應用的優點

2.1 有較高的熱傳系數

從傳熱效率來看，該裝置的性能符合需求，尤其是傳熱系數更高，保證了裝置的性能。從前文的相關資料中可知，典型的板式換熱器的傳熱系數約為2000～6000 W/（m2·K），并且在船舶輪機中，因為波紋鋼板裝置的存在，在結構內部會形成復雜的流道，在流體運行期間可維持三維流動，尤其是當裝置內的雷諾數為50～200時會導致內部出現湍流。

2.2 熱損失小且熱回收率高

因為板式換熱器具有結構緊湊的特征，所以可以有效控制換熱器的外表面面積，由此所產生的散熱會更小。在假設傳熱系數相同的情況下，板式換熱器的熱損失約占總傳熱量的1%[2]。又因為板式換熱器的傳熱系數高，所以在流程中可以形成超過99%的逆流熱交換，該裝置可借助不同介質之間的溫差來保證較高的熱回收率，與常規熱交換器的50%相比具有顯著效果。

2.3 體積小

體積小是板式換熱器的顯著優點，這是因為換熱器在單位體積內的換熱面積明顯高于常規換熱器，并且該設備不需要預留檢修場地，所以當系統在執行換熱任務時，該裝置的占地面積僅為常規換熱器的1/5。同時板式換熱器的板片厚度更小，因此設備的框架質量更輕。

2.4 其他優點

1）有更強的適用性。板式換熱器的結構簡單，組裝過程靈活，且該裝置對于復雜條件下的負荷展現出很強的適用性，如為了能夠增加或者減少熱負荷，只需要增減板片數量即可，在改進后即可適用復雜工況。從應用經驗來看，該裝置能夠滿足使用蒸汽乃至高粘度液體時的運行要求，且從含小直徑固體顆粒的流體到含纖維的懸浮液體均可使用等。從產品介質運行溫度來看，板式換熱器可在-25～200℃的溫度范圍內使用；該裝置也能夠用于系統加熱、冷凝以及冷卻等反應過程的工藝要求?；蛘吖ぷ魅藛T也可以根據工藝結構要求來調整墊片開口位置，這種改進方法能夠適應復雜工藝的生產要求。2）不易結垢。因為板式換熱器使用了波紋狀的形狀，該裝置可以強化液體流動的要求，在液體流動中不會產生低流速區，基本不會產生結垢以及腐蝕等問題。因為該裝置可以在低流速下出現湍流，而在湍流的作用下，會導致粒子懸浮、聚集減少，以及積垢等問題的發生；即使裝置結構表面發生了結垢，該污染物也可以直接清洗，減少污染；板片采用了疊加制成的方法，在發生結垢后可以拆開清洗，消除污染。3）整個裝置具有投資費用低的優點。這是因為板式換熱器的結構簡單，且單位傳熱面積金屬耗量低且關鍵部件均可以采用集中化生產的要求，有助于控制裝置的建設成本。同時該裝置通過沖壓成形的處理工藝，在生產過程中不會預留焊點，有助于模塊化安裝與生產，該裝置后期運行中發生故障概率的風險較低，保證了裝置穩定性。最后使用優質金屬板材加工該裝置，對于各種介質形成了良好的耐受性，因此提升了裝置的使用年限，具有明顯優勢。

3 板式換熱器在船舶中應用的問題與解決方法

3.1 針對船舶設備要求結構緊湊的要求

從技術應用來看，板式換熱器具有更滿意的物理性能，這也為該裝置的推廣提供了必要的支持。研究可知，板式換熱器具有體積小且質量輕的優點，這也意味著板式換熱器可以順應船舶輪機的結構優化要求?，F階段在板式換熱器中，相關學者通常會采用空心鋼碳板加強肋的結構模式，在該特殊結構的作用下，有助于改善整個橋梁的受力問題，使原本復雜的空間結構變得更加簡單、便捷，對于船舶輪機整體結構的改進有重要意義。結合相關學者的有限元分析結果可以研究發現，為滿足船用設備的性能要求，在板式換熱器結構中可以根據應力應變的分布要求來改進整個板式換熱器的結構，減少結構中不必要的部分；同時為滿足正常的使用要求，也可以選擇對板式換熱器中的較薄部位進行加厚等，確保整個結構能夠滿足船舶輪機的運行要求。在該裝置加工過程中，可通過整體切割的加工方法來消除其中的焊接變形問題，并消除殘余應力等，所以在應用該裝置時能夠不斷優化船舶輪機的結構，并解決傳統裝置存在的結構占地面積偏大的問題。

3.2 針對板式換熱器的沖擊性大問題

在船舶輪機中使用的板式換熱器為多點固定的方法，該固定連接方法的關鍵點，要對所有可固定的部件做緊固連接，尤其針對其中的特殊部位，可以使用加強肋結構的固定方法，在船舶輪機中應用該裝置有助于提升緊固效果，避免因為船舶搖晃、振動等現象而導致板式換熱器的移位。

3.3 因為冷卻介質特殊性的要求

海水的顯著體征是具有更高的含鹽濃度，但是從化學性質來看，氯離子的存在會造成嚴重的金屬材料腐蝕問題，這對于延長裝置使用年限是不利的，因此在板片選擇上，通常會選擇具有良好抗腐蝕性能的鈦合金材料，該裝置不僅具有更加穩固的化學性質，可以降低海水侵蝕作用對金屬結構造成的傷害。同時該材料的質量更輕，加工難度更小。在船舶輪機運行期間，針對板式換熱器的性能問題，相關人員可以按照《板式換熱器》的相關性能進行檢驗，根據板片的著色滲透檢驗結果對板體的性能展開評估，根據檢驗結果可以對板體做防霉、防腐等磷化處理方法，這種處理方法的顯著優點，是可以延長設備的使用年限，并使設備具有更強的防腐效果。

3.4 針對傳熱介質的問題

因為水的比熱容明顯大于油，受到這物理機制的影響，換熱器在熱量轉換過程中會產生較大的溫差，溫差的出現則會影響系統的熱傳遞效果。因此在該系統的支持下，為強化板式換熱器的功能，則需要隨時觀察油水傳熱性能，由此來保證換熱裕度達標，最終提升整個板式換熱器的性能[3]。

3.5 成本管理要求

現階段板式換熱器的成本偏低，有助于控制船舶輪機系統的整體造價，因此該裝置可以為企業創造更多的經濟效益，這與板式換熱器技術的快速發展存在相關性。同時在該裝置維護中，板式換熱器發生故障風險的概率較低，一般認為，若該裝置能夠正常運作，則在維護過程中只需要進行簡單的清洗即可；若因為各種原因而導致該裝置的運行過程出現異常，由于整個構件的成本較低，工作人員可以隨時更換故障零部件，進而保證板式換熱器能夠產生良好的換熱效果。

4 結語

在船舶輪機中，板式換熱器的出現對于提升整個裝置的性能具有深遠影響，因此對于工作人員而言，在未來工作中應該認識到板式換熱器性能的影響，在了解該裝置性能優勢的基礎上提供必要的技術支持，這樣才能充分適應未來船舶技術發展要求。工作人員應考慮優化換熱器、解決船舶輪機運行不穩定的方法，同時關注沖擊與后期維護工作，采用科學的方法來提升設備性能，最終全面提升板式換熱器的整體性能，成為推動行業發展的關鍵點。