冷却系统在船舶与海洋工程上的应用分析

李锦锋 李井林

【摘 要】冷却系统在船舶和海洋工程中发挥至关重要的作用。为充分发挥冷却系统价值和作用，文章分析了船舶和海洋工程常用冷却系统，对冷却系统的应用展开探讨，以期提供借鉴。

【关键词】冷却系统;船舶;海洋工程

前言

冷却系统是船舶和海洋工程正常进行的重要支柱，通过该系统能够使整个冷热循环系处于平衡的状态，从而为船舶的高效运行提供坚实保障。

1、分析船舶和海洋工程常用的冷却系统

现阶段船舶和海洋工程中最常用的冷却系统有风冷式、管壳冷却式、板式冷却式三种冷却系统。

1.1风冷却式

主要由发动机、电机、液压马达、扇叶、散热器芯组模块共同组成，设备通电后电机会带动扇叶转动，利用了空气对流的原理，将船舶与海洋工程内部造成的热气通过空气循环，与外界空气进行循环交换，从而达到散热目的[1]。在采用风冷却系统时，水比热容要高于空气比热容，所以，如果热量相同，进行风冷却散热时，对风量的要求较高。

1.2管壳冷却式

管壳式的冷却系统实质上属于间壁式换热器的领域范围之内，其管道内部的流体又称为管程，外部的流体通道又称为壳程。管壳式冷却系统主要是借助热量从高向低的性质进行传导。温度较高的流体通过冷却管程与低温流体进行互，进而达到冷却的目的。

1.3板式冷却式

板式冷却系统的组成部分有道板、盲盲板、板片、内衬、上导杆、下导杆、端封等多部分共同组成的封闭式冷却系统。在整个散热系统的两端分别是盲板和端板，整个散热系统的中间位置全部为散热通道板，密封板的位置在通道板与端板两之间。整个板式冷系統的外部结构为空格板样式，各个板面之间拥有一定的缝隙，这是为了增强冷却系统的强度而特殊设定的。另外，前板断上面的四个角有一个孔洞，主要为了排被加热介质以及输送需要加热的介质[2]。并且在实际工作中，同种介质只能通过一个孔洞进入冷却系统内，有助于气体的交换，进而达到冷却的目的。由于板式冷却系统内部具有较多的隔板，当介质通过孔洞流经内部时，会与多个板面接触，所以其流动的方向和速度在不断变化，有助于增强散热效果。

2、冷却系统在船舶与海洋工程上的应用分析

2.1冷却系统的效率

冷却效率衡量冷却系统好坏的重要参数。从热血角度对冷却系统进行分析发现，板式冷却系统比管壳式冷却系统的实用性能好，另外，板式冷却系统具有较高的散热系数最大可达到23000KJm2.h.℃，是管壳式冷却系统的5倍及以上。最小传热温度方面，管壳式冷却系统最低温度为4-6摄氏度，板式冷却系统的最低温度为0-3摄氏度，可见板式冷却系统比管式冷却系统的冷却效果好[3]。风冷却式冷却系统，采用空气强制制冷的冷却方式，由于水的比热容高于空气，所以同等的热量冷却，要比管壳式冷却系统和板式冷却系统所需时间多得多，而且效率相比于管壳冷却式和板式冷却式低。

2.2重量和占地面积

板式冷却系统在具有结构紧凑，而且冷却效率比管壳式冷却系统高的多。在对板式冷却系统进行检修和养护的时候，不需要占用太多的空间。另外，在紧凑度方面：同样量的散热任务板式散热器的占地面积约为管壳式散热器的1/4-1/9之间，主要原因是由于这两种散热内部组材料的规格不同，板式散热器的散热板厚度一般在0.5-1.0mm之间，管壳式散热器的散热管厚度在2.5-3.5mm之间，可见同种材料的情况下，管壳式散热器要比板式散热器的框架沉重。相同散热任务量条件下，在散热面积方面，管壳式要比板式所用面积大。风冷式散热系统与管壳式、板式散热系统向比，虽然同种条件下，需要较大的散热面积，但是由于其内部特殊的组成，风冷式散热器比板式、管壳式散热器的占地面积都小，而且安装操作简单、便于检修、质量轻、成本低、集成度高等诸多优点，符合船舶和海洋工程散热标准。

2.3污垢

板式换热器与管壳式换热器相比具有较低的污垢系数，主要是由于板式散热器内部的结构特征，由于气体速度快，所以内部不出现太多的灰尘堆积，并且通道直观上较整齐，换热表面采用的是光滑材质，便于清洁。由于管壳式内部冷结构比较复杂，导致内部的清洁工作很难进行，就会导致大量的污垢堆积，严重降低了其冷却效率和使用寿命[4]。

2.4成本

由于海水具有较强的腐蚀性，所以在对船舶和海上工程的散热系统进行建设过程中，需要注重提升散热器的防腐蚀性能。因此，在选择散热器材料时，应当选择防腐蚀性能好的材料，所以其材料的成本投入相比陆地上会有所提升。但是，相同腐蚀环境下，为保证板式散热器整体的性能，需要选择优质的防腐蚀金属板材，相比于同种性质的管材而言，成本投入较低，而且施工建设过程中，需要的加工机械设备单一，散热器内部管材的通用性能比管材高、易冲压成型，所以相比于管壳式冷却系统的建设，能显著降低施工制造成本。另外，经过膜化处理后的板材，其耐久度是管式的2-4倍。风冷式散热系统相比于板式、管壳式而言，内部结构较简单，制造工艺容易、机械加工操作少，而且采用腐蚀性能一般的全铝或者全铜的材料就能满足海上工程防腐蚀性能的要求，所以相比于板式、管壳式，性价比较高。

2.5温度和压力及噪声

散热器内部的结构和所应用的材料决定了其自身能承受的压力和耐热性能。管壳式散热转换器所选择的材料范围较广泛，整体结构上只有两端的密封性较强，整体对两端封闭垫片会产较大的压紧力，所以其具有较强的耐压和耐高温性能。板式散热器的内部结构是由特殊垫片进行密封处理的，但是由于板片的质地较薄、刚性较差，所以板式散热器的耐压力和耐高温性能比较不仅任意，而且在安装时，由于板材较薄，稍有不慎就会导致板材破裂，出现漏气问题。另外，工作噪声方面，风冷式冷却系统>板式冷却系统>管壳式冷却系统。

2.6制造成本

海上应用环境相对复杂，其材料容易受到海水及动物粪便侵蚀导致生锈。因此，海上环境对船舶与海洋工程的冷却系统制造材料要求较高，其需满足防腐性要求，对散热器科学设计。因此，其实际建设成本相对较高。在相同的海上的环境中，板式换热器其主要材料耐腐蚀的金属板材进行设计建设，其实际原料价格较为低廉，制作以冲压成型为主，机械加工较少，且零件自身的通用性较大，制造成本不算很高。同样，板式换热器其板片经过转化膜处理，耐不同介质侵蚀，可有效防止水中氯离子对其造成腐蚀作用，延长散热器实际使用寿命。相较于管式热交换器，板式换热器的使用寿命要高于其2-3倍。风冷式散热器其结构较为简单，多采用腐蚀性能良好的全铜结构设计，制造简单，加工操作较少，材料经济性突出。

结语

对于船舶与海洋工程的冷却系统而言，由于其工作的环境比较恶劣，所以在材料的选择上面应当选择防腐蚀性能较强的材料。现在海洋工程中常用的冷却方式有风冷却、管壳式、板式三种。选择时应当根据实际的散热需求选择合适的冷却方式，进而推进海洋工程和船舶行业的稳定、持续发展。

参考文献：

[1]吴汉川，王健，杨光恒.冷却系统在船舶与海洋工程上的应用分析[J].石油和化工设备，2017，83（3）：5-10.

[2]黄伟，冯维，王海峰，等.直流换流阀单元模块蒸发冷却系统的仿真分析与试验[J].电工技术学报，2017，32（2）：264-270.

[3]王印忠，李雪，久岚颖，等.《海水循环冷却系统设计规范第1部分取水技术要求》创新点[J].中国给水排水，2017，56（14）：22-24.

（作者单位：1.上海振华重工（集团）股份有限公司;2.江苏江扬特种电缆有限公司）