船舶輪機(jī)中板式換熱器的有效應(yīng)用

秦偉民

（南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226300）

0 引言

隨著海運(yùn)工作的不斷開展，船舶輪機(jī)的運(yùn)行效率顯著提升，對板式換熱器的性能提出了更高要求?，F(xiàn)階段板式換熱器的種類不斷豐富，其功能的增加為海運(yùn)發(fā)展提供了必要的保障。但是根據(jù)現(xiàn)有的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，板式換熱器在使用過程中還存在一定的問題，表現(xiàn)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(jìn)一步推廣，為了能夠順應(yīng)未來行業(yè)的發(fā)展要求，則需要了解板式換熱器的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容及其應(yīng)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(shè)備發(fā)展現(xiàn)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(jīng)過多層基本換熱單元疊加之后形成新型裝置，常見結(jié)構(gòu)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(xiàn)代化的換熱器結(jié)構(gòu)，板翅式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，且檢測結(jié)果顯示，該裝置在換熱時(shí)的傳導(dǎo)系數(shù)最高值可達(dá)到350 W/（m2· K），相比之下，傳統(tǒng)管式換熱器的傳熱系數(shù)僅為35 W/（m2· K），兩者相比，顯然板翅式換熱器的傳熱系數(shù)水平更高[1]。同時(shí)檢測結(jié)果證明，該裝置的承壓能力約為9.8 MPa，單位面積內(nèi)裝置的換熱面積約為2500 m2。根據(jù)該裝置的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，板翅式換熱器存在檢修難度高、容易堵塞等質(zhì)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(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加而成，在角上設(shè)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(jié)構(gòu)下可以促使冷熱流體快速流通。此時(shí)為保證剛度與換熱效果，通常在平板設(shè)計(jì)中會設(shè)置不同類型的波紋。根據(jù)裝置的檢測結(jié)果可知，該裝置在對流水-水換熱時(shí)的傳熱系數(shù)最高值可達(dá)到7000 W/（m2·K），且因?yàn)檠b置結(jié)構(gòu)簡單，因此清洗過程簡單。同時(shí),該裝置一旦出現(xiàn)密封墊片損壞，則會造成泄漏，所以難以適應(yīng)大流量傳熱的要求，所以該裝置主要被應(yīng)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(yùn)行要求。同時(shí)該裝置內(nèi)部的污垢形成速度更慢，且整個裝置的構(gòu)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(jù)裝置的不同應(yīng)用場景,選擇不同的結(jié)構(gòu)工藝，這樣才能全面提升船舶輪機(jī)整體性能。

1.2 原理與構(gòu)造

板式換熱器的主要結(jié)構(gòu)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(shè)置在裝置的兩端，且通道板被設(shè)置在中間點(diǎn)，密封系統(tǒng)則是被固定在端板與通道板之間。在該結(jié)構(gòu)的作用下可以構(gòu)建多個容腔，并且在通道板的4個角位置設(shè)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(jī)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(diào)整為復(fù)雜的幾何形式，這樣在介質(zhì)經(jīng)過系統(tǒng)之后，其流動方向與流動速度不會發(fā)生明顯變化，尤其是在低流速的情況下，可在內(nèi)部形成湍流，可以保證傳熱效果。

1.3 板式換熱器的構(gòu)造

板式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，主要設(shè)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(jié)構(gòu)

同時(shí)在現(xiàn)有板式換熱器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，裝置的波紋溝槽可以分為：1）密封槽，主要被設(shè)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(jié)果顯示為波紋狀特征，可將其固定在密封槽范圍內(nèi)，該部位波紋槽可以維持特定距離，構(gòu)成介質(zhì)通道。3）導(dǎo)向溝槽，主要被固定在角孔周圍的密封槽中，有介質(zhì)導(dǎo)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(xiàn)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(tài)，故流體在運(yùn)行過程中，會因?yàn)椴y作用而不斷變化流動方向并產(chǎn)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(qiáng)化熱交換效果，其傳熱系數(shù)最高值可能達(dá)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(jié)構(gòu)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(fā)生改變的情況下進(jìn)行快速反應(yīng)。3）適用性更強(qiáng)。該裝置滿足靈活組裝的要求，且裝置的負(fù)荷適應(yīng)能力更強(qiáng)，為了能夠順應(yīng)不同工況，只需要選擇增加或者減少板片就可以調(diào)整組織形式，所以該裝置的應(yīng)用范圍更廣。

2 板式換熱器在船舶輪機(jī)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

2.1 有較高的熱傳系數(shù)

從傳熱效率來看，該裝置的性能符合需求，尤其是傳熱系數(shù)更高，保證了裝置的性能。從前文的相關(guān)資料中可知，典型的板式換熱器的傳熱系數(shù)約為2000～6000 W/（m2·K），并且在船舶輪機(jī)中，因?yàn)椴y鋼板裝置的存在，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成復(fù)雜的流道，在流體運(yùn)行期間可維持三維流動，尤其是當(dāng)裝置內(nèi)的雷諾數(shù)為50～200時(shí)會導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)湍流。

2.2 熱損失小且熱回收率高

因?yàn)榘迨綋Q熱器具有結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的散熱會更小。在假設(shè)傳熱系數(shù)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?yàn)榘迨綋Q熱器的傳熱系數(shù)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(zhì)之間的溫差來保證較高的熱回收率，與常規(guī)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(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)閾Q熱器在單位體積內(nèi)的換熱面積明顯高于常規(guī)換熱器，并且該設(shè)備不需要預(yù)留檢修場地，所以當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行換熱任務(wù)時(shí)，該裝置的占地面積僅為常規(guī)換熱器的1/5。同時(shí)板式換熱器的板片厚度更小，因此設(shè)備的框架質(zhì)量更輕。

2.4 其他優(yōu)點(diǎn)

1）有更強(qiáng)的適用性。板式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，組裝過程靈活，且該裝置對于復(fù)雜條件下的負(fù)荷展現(xiàn)出很強(qiáng)的適用性，如為了能夠增加或者減少熱負(fù)荷，只需要增減板片數(shù)量即可，在改進(jìn)后即可適用復(fù)雜工況。從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，該裝置能夠滿足使用蒸汽乃至高粘度液體時(shí)的運(yùn)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(chǎn)品介質(zhì)運(yùn)行溫度來看，板式換熱器可在-25～200℃的溫度范圍內(nèi)使用；該裝置也能夠用于系統(tǒng)加熱、冷凝以及冷卻等反應(yīng)過程的工藝要求?；蛘吖ぷ魅藛T也可以根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)要求來調(diào)整墊片開口位置，這種改進(jìn)方法能夠適應(yīng)復(fù)雜工藝的生產(chǎn)要求。2）不易結(jié)垢。因?yàn)榘迨綋Q熱器使用了波紋狀的形狀，該裝置可以強(qiáng)化液體流動的要求，在液體流動中不會產(chǎn)生低流速區(qū)，基本不會產(chǎn)生結(jié)垢以及腐蝕等問題。因?yàn)樵撗b置可以在低流速下出現(xiàn)湍流，而在湍流的作用下，會導(dǎo)致粒子懸浮、聚集減少，以及積垢等問題的發(fā)生；即使裝置結(jié)構(gòu)表面發(fā)生了結(jié)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(fā)生結(jié)垢后可以拆開清洗，消除污染。3）整個裝置具有投資費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)榘迨綋Q熱器的結(jié)構(gòu)簡單，且單位傳熱面積金屬耗量低且關(guān)鍵部件均可以采用集中化生產(chǎn)的要求，有助于控制裝置的建設(shè)成本。同時(shí)該裝置通過沖壓成形的處理工藝，在生產(chǎn)過程中不會預(yù)留焊點(diǎn)，有助于模塊化安裝與生產(chǎn)，該裝置后期運(yùn)行中發(fā)生故障概率的風(fēng)險(xiǎn)較低，保證了裝置穩(wěn)定性。最后使用優(yōu)質(zhì)金屬板材加工該裝置，對于各種介質(zhì)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(yōu)勢。

3 板式換熱器在船舶中應(yīng)用的問題與解決方法

3.1 針對船舶設(shè)備要求結(jié)構(gòu)緊湊的要求

從技術(shù)應(yīng)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(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，這也意味著板式換熱器可以順應(yīng)船舶輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求?，F(xiàn)階段在板式換熱器中，相關(guān)學(xué)者通常會采用空心鋼碳板加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)模式，在該特殊結(jié)構(gòu)的作用下，有助于改善整個橋梁的受力問題，使原本復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)變得更加簡單、便捷，對于船舶輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有重要意義。結(jié)合相關(guān)學(xué)者的有限元分析結(jié)果可以研究發(fā)現(xiàn)，為滿足船用設(shè)備的性能要求，在板式換熱器結(jié)構(gòu)中可以根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變的分布要求來改進(jìn)整個板式換熱器的結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)中不必要的部分；同時(shí)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(jìn)行加厚等，確保整個結(jié)構(gòu)能夠滿足船舶輪機(jī)的運(yùn)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(yīng)力等，所以在應(yīng)用該裝置時(shí)能夠不斷優(yōu)化船舶輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，并解決傳統(tǒng)裝置存在的結(jié)構(gòu)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(jī)中使用的板式換熱器為多點(diǎn)固定的方法，該固定連接方法的關(guān)鍵點(diǎn)，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(qiáng)肋結(jié)構(gòu)的固定方法，在船舶輪機(jī)中應(yīng)用該裝置有助于提升緊固效果，避免因?yàn)榇皳u晃、振動等現(xiàn)象而導(dǎo)致板式換熱器的移位。

3.3 因?yàn)槔鋮s介質(zhì)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(xué)性質(zhì)來看，氯離子的存在會造成嚴(yán)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(wěn)固的化學(xué)性質(zhì)，可以降低海水侵蝕作用對金屬結(jié)構(gòu)造成的傷害。同時(shí)該材料的質(zhì)量更輕，加工難度更小。在船舶輪機(jī)運(yùn)行期間，針對板式換熱器的性能問題，相關(guān)人員可以按照《板式換熱器》的相關(guān)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)板片的著色滲透檢驗(yàn)結(jié)果對板體的性能展開評估，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)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(yōu)點(diǎn)，是可以延長設(shè)備的使用年限，并使設(shè)備具有更強(qiáng)的防腐效果。

3.4 針對傳熱介質(zhì)的問題

因?yàn)樗谋葻崛菝黠@大于油，受到這物理機(jī)制的影響，換熱器在熱量轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生較大的溫差，溫差的出現(xiàn)則會影響系統(tǒng)的熱傳遞效果。因此在該系統(tǒng)的支持下，為強(qiáng)化板式換熱器的功能，則需要隨時(shí)觀察油水傳熱性能，由此來保證換熱裕度達(dá)標(biāo)，最終提升整個板式換熱器的性能[3]。

3.5 成本管理要求

現(xiàn)階段板式換熱器的成本偏低，有助于控制船舶輪機(jī)系統(tǒng)的整體造價(jià)，因此該裝置可以為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，這與板式換熱器技術(shù)的快速發(fā)展存在相關(guān)性。同時(shí)在該裝置維護(hù)中，板式換熱器發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)的概率較低，一般認(rèn)為，若該裝置能夠正常運(yùn)作，則在維護(hù)過程中只需要進(jìn)行簡單的清洗即可；若因?yàn)楦鞣N原因而導(dǎo)致該裝置的運(yùn)行過程出現(xiàn)異常，由于整個構(gòu)件的成本較低，工作人員可以隨時(shí)更換故障零部件，進(jìn)而保證板式換熱器能夠產(chǎn)生良好的換熱效果。

4 結(jié)語

在船舶輪機(jī)中，板式換熱器的出現(xiàn)對于提升整個裝置的性能具有深遠(yuǎn)影響，因此對于工作人員而言，在未來工作中應(yīng)該認(rèn)識到板式換熱器性能的影響，在了解該裝置性能優(yōu)勢的基礎(chǔ)上提供必要的技術(shù)支持，這樣才能充分適應(yīng)未來船舶技術(shù)發(fā)展要求。工作人員應(yīng)考慮優(yōu)化換熱器、解決船舶輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的方法，同時(shí)關(guān)注沖擊與后期維護(hù)工作，采用科學(xué)的方法來提升設(shè)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(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。