船用冷凝器结构特点浅析＊

柳蕾

(大连冷冻机股份有限公司产品开发部，辽宁大连 116033）

·低温与制冷·

船用冷凝器结构特点浅析＊

柳蕾

(大连冷冻机股份有限公司产品开发部，辽宁大连 116033）

根据船用换热器的设计与使用经验，介绍了船用冷凝器的结构特点。针对船用设备在设计过程中遇到的实际问题，包括渔船上设备操作空间的限制、船体海上捕捞作业的颠簸情况，及海水对设备的强腐蚀性等方面，对船用冷凝器结构形式的选取以及其区别于陆用产品的特殊结构做出了说明。

船用冷凝器;结构;特点

随着大型远洋渔船及海轮的大容量冷冻、冷藏运输的不断发展，现在广泛应用于远洋渔业上的食品保鲜、冷藏、速冻、低温加工、船舶空气调节等的船用制冷机组及附属设备越来越受到人们的关注;特别是对于船用产品结构紧凑性、运行稳定性、高效换热性及安全保护的要求不断提高。

图1 制冷系统循环示意图Fig.1 System refrigerating circulation scheme

一般而言，一个完整的船用制冷循环系统是指，压缩机从蒸发器吸入低压气体后，经压缩变成高压气体并被排到冷凝器中，高压气体在冷凝器中被冷却水冷却为高压液体，高压液体经节流装置节流成低压液体进入蒸发器，低压液体在蒸发器中蒸发，低压制冷剂液体在蒸发的同时吸收冷媒水热量，从而制取低温冷媒水。蒸发后的制冷剂气体又被压缩机吸入，再进行下一次循环。整个制冷系统流程见图1。

在此系统中，船用冷凝器与外界的冷却介质换热，因为特殊的工作环境不同于陆用设备，所以需要采用很多技术手段确保冷凝的目的，下面对这些方面分别介绍。

1 制冷剂

《钢质海洋渔船建造规范1998》中许可使用的制冷剂包括:R717、R22、R12、R502，多数船用换热器一般选用不燃烧、不爆炸且价格便宜的R22作为制冷剂，在冷凝器中矿物油将溶解于R22液体中，不易在传热表面形成油膜而影响换热。随着时代的进步，制冷剂也不断发展，目前，一些非共沸混合制冷剂例如R404A也应用在船用设备中。

2 结构形式

冷凝器按冷却介质和冷却方式，可以分为三种类型:水冷冷凝器、空冷冷凝器、蒸发式冷凝器。

这三种方式都可以应用在陆用产品中，但船用设备一般只能选用水冷式结构。首先，空冷和蒸发式冷凝器需要较大的空间和好的通风条件，这就限制了设备的安装位置，不能在船舱内使用，而船用设备多数都需要安装在甲板下面的仓体空间内;其次，即使可以安装于甲板上，在高温高湿的气流中工作，空冷冷凝器和蒸发式冷凝器配套的风机也极易被空气中的海水腐蚀，发生故障。所以，以方便得到的海水作为冷却水的水冷冷凝器是船用设备的最佳选择。

水冷冷凝器结构也很多样，有管壳式、板换式等，板换式冷凝器虽然结构紧凑、体积小、换热系数高，但对冷却水的水质要求较高。海水中含有杂质和浮游生物，很明显不能满足其对水质的要求，容易造成堵塞，不易清洗。所以，船用冷凝器采用水冷卧式管壳式结构是最为方便、合理、可靠的选择，其主要优点是结构紧凑，占地面积比较小;换热管内的水流速较高 (一般取1.8～3.0 m/s），所以传热系数较大 ［930～1593 W/(m2·℃）］;冷却水的温升较大，所以冷却水的耗量较小。

3 工作原理

船用冷凝器通常采用海水作为冷却水，通过壳程和管程之间的热量交换，将压缩机排出的高压、高温气态制冷剂冷凝成液体，并带走其热量。制冷剂在冷凝器中放出的热量包括两部分:一是在蒸发器中吸收的被冷却物体的热量;二是制冷剂蒸气在制冷压缩机中被压缩时，由压缩机消耗的机械功转化的热量。

制冷剂在冷凝器中被冷却冷凝液化的过程如下:过热蒸气→饱和蒸气→饱和液体→过冷液体。

4 结构特点

船用冷凝器筒体两端各焊有多孔管板一块，两管板之间胀接水平传热管。管板外侧设有前、后管箱，管箱内侧具有满足水流程需要的隔腔，保证冷却水在管程中往返流动，使冷却水从一侧管箱的下部进入冷凝器，经过若干个流程后由同侧管箱的上部流出。采用多流程的设计主要是为了减小水的流通面积，提高冷却水流速，增强水侧换热效果。国产卧式壳管式冷凝器一般为4～10个流程。若流程数过多，会增大水侧流动阻力，加大水泵功耗。高温的制冷剂蒸气从冷凝器上部的进气管进入壳程内管束间，与管内冷却海水通过管壁进行充分的热交换，变成制冷剂液体，由位于容器下部的供液阀放出。冷却海水从冷凝器一端端盖进入后，按顺序通过每个流程，最后从同一端盖流出。此外，筒体上部装有安全泄放装置，如放气阀等，端盖上装有放空丝堵、放水丝堵、防腐锌块，以保证设备的安全运行。其具体结构见图2。

与陆用冷凝器相比，船用产品在安全泄放装置上的要求更为严格。根据《钢质海洋渔船建造规范1998》中对安全设备的规定“制冷剂系统的所有受压容器均应装设串联安装的安全阀和安全膜片。并且安全阀和安全膜片之间应装设指示中间压力的压力表。”如图2中的船用安全阀组就是将安全阀、安全膜片 (配有夹持器）、压力表以及一个直角式截止阀做成一个部件，整体安装于冷凝器壳体的上方。安全阀组的好处在于安装和装箱运输方面都比较方便。

图2 船用冷凝器外型结构Fig.2 Configuration ofmarine condenser

渔船远洋作业工作环境的特殊性，使得船用冷凝器在结构上也有别于陆用产品。首先，不是传统的“底部中心出液”方式，考虑到渔船在出海捕捞时，海面风浪对船体造成的摇摆，导致冷凝器液面不稳的实际情况，采用底部两侧双出液的结构可以使出液更加均匀，换热器运行更为安全可靠;此外，船体摇摆会导致冷凝器中换热管产生震动，造成支持板孔对换热管的磨损，这种磨损会造成换热管的泄漏，减少换热器使用寿命。目前，有些设计厂家较为理想的改善方法是在支持板孔与换热管之间装配了紧固套，利用紧固套的结构特点来防止换热管与支持板间的磕碰，其结构及原理见图3。

将紧固套一端通过图上的序号1、2部分固定于支持板孔处，使得换热管与支持板间没有直接的接触;另一端利用紧固套的预紧力，通过四个固定点 (图上的序号3）的张力来固定换热管，防止支持板边缘对换热管的磕碰损伤。

5 防腐处理

船用冷凝器管程充注工作介质是海水，具有一定的腐蚀性，所以管程的防腐工作至关重要。由于与海水接触的各个零部件结构的不同，其防腐措施也应根据各部件具体的情况进行选择。

图3 紧固套结构及原理Fig.3 Configuration and elements

5.1 前、后管箱

前、后管箱可以通过涂抹防腐涂层来抗海水腐蚀，但由于防腐涂层价格高且具有一定毒性，所以这种方式并不常用。利用牺牲阳极保护阴极来防海水腐蚀是最为方便、可靠并且节约成本的方法。采用Q235B/Zn制作的锌块丝堵 (结构见图4），利用Zn金属活动性较强的特点，与海水接触时，海水会最先腐蚀丝堵中的锌块，只要定期及时更换锌块丝堵，就可以起到保护管箱的目的。此外，做成丝堵的结构，拆卸及更换更为简单、方便。锌块的数量取决于需要防腐蚀的面积，一般来说，防腐锌块的面积是前、后管箱内部需防腐蚀面积的1%～2%。

图4 锌块丝堵结构Fig.4 Configuration of zinc-screw

5.2 换热管

传统换热管多采用铝黄铜的外翅片管，但这种内部光管的结构换热效果一般。目前高效船用冷凝器多选用铜镍合金高效的换热管，其优势在于其管内的里脊设计 (如图5所示），不仅增大了换热面积，且造成紊流二次流，管内换热效率得到提高，因此提高了整体的换热效率。

图5 换热管比较Fig.5 Difference of heat-exchanging tube

5.3 管板

管板设计厚度一般比较厚，并且只有一面是和海水直接接触的，如果将这么厚的管板整体采用耐腐蚀材质制造，必将增加管板的制作成本，所以采用结构更为合理的爆破复合式管板。只是将与海水接触侧的表面选用一定厚度耐腐蚀材质06Cr18Ni11Ti，管板基层选用普通钢板。这样既能起到防海水腐蚀的作用，又能降低制造成本。

根据GB151—1999《管壳式换热器》第5.8.2.3节中的要求，使用了保证换热管与复合管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。复合管板与换热管连接型式 (开两个环槽）见图6。

5.4 冷却海水流速控制

在其它基础条件不变的情况下，冷却海水流量的大小对于船用冷凝器换热效果的影响是比较大的。冷却海水流量越大，流速提高，传热系数则随流速提高而增大，冷凝器换热能力增强，但同时也导致冷却海水对换热管端的冲蚀严重，减少换热管的使用寿命。根据GB151—1999《管壳式换热器》中第5.11.1节管程设置防冲板条件中的规定“当管程采用轴向入口接管或换热管内流体流速超过3 m/s时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。”所以，在避免管程侧设置防冲板的前提下，降低管内水流速，使之控制在3 m/s以下，既可以防止冷却海水因流速过快而冲蚀换热管端，又能够保证冷凝器良好的换热效果。

图6 换热管与管板胀接形式Fig.6 Joining-up of tube sheet and tube

6 结束语

船用冷凝器作为制冷装置的主要热交换设备之一，经过几年来不断改进、创新，外形尺寸越来越紧凑，运行可靠性也越来越高。随着时代的发展，新技术、新工艺的不断革新，船用冷凝器还有很大的改进空间。包括管箱结构、冷却水流量控制及分配、供液管线设计、海水防腐的新方法、高效换热性等诸多方面都需要继续研究、不断完善，使产品无论外观、结构、操作和运行稳定性等，不仅仅满足设计规范和用户的要求，还能在节能降噪方面做得更好。

Structure And Advantage of Marine Condenser

LIU Lei
(Dalian Refrigeration Co.，Ltd，Dalian 116033，China）

According to design and experience ofmarine heat-exchanger，introduce some characteristics ofmarine condenser．During the course of design，we think over some practical questions which include the limited operating-room，the bumpy shipping and the corrosion of seawater．On account of the particularity ofmarine equipment，we illustrate the specialty of frame and the difference with terrestrial equipment．

marine condenser;structure;characteristic

TB657.5

A

1007-7804(2011）04-0008-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.04.002

2011-06-20

柳 蕾，女，2002年毕业于上海理工大学制冷与低温专业，2002年8月进入大连冷冻机股份有限公司产品开发部工作，一直从事压缩机主机及机组开发及技术整改工作。先后参与国家863计划CYJZVLGF193D船用螺杆压缩机组、船用冷水机组等新产品开发，同时参与100、125、170系列活塞压缩机的技术整改等工作。