船用汽水板式换热器的应用研究

段文利 DUAN Wen-li；崔永龙 CUI Yong-long；谢志豪 XIE Zhi-hao

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

板式换热器相对管壳式换热器在舰船上应用更加广泛，工程技术人员一直致力于提高板式换热器换热效率、使结构更加紧凑的工作[1]，发展至今，技术相对成熟，但在蒸汽侧冷凝水排放问题上研究较少。传统汽水板式换热器需不断调整蒸汽量以控制舱室负荷。负荷变化导致蒸汽侧冷凝水难以排放，进而影响蒸汽调节阀的使用寿命和舱室环境控制，以往认为是蒸汽调节阀的质量及其控制问题，但频繁地更换阀门并不能真正解决现有问题。研究汽水板式换热器的冷凝水排放问题对提高舰船舱室环境控制非常必要。

1 板式换热器介绍

板式换热器由于其高效、紧凑的结构特点，已在各领域中得到了广泛的应用，自从德国在1878年发明了板式换热器并成功申请专利以来，板式换热器已经经历了百年多历史。到了20世纪七八十年代，板式换热器发展快速，品种增多，逐渐成为高性能、大参数的产品。

板式换热器由一系列具有一定波纹形状的金属板片叠装压紧而成的一种换热器，冷热两种流体通过金属板片达到换热目的。板式换热器特点[2-4]：

①结构紧凑、占地面积较小。在同样的有效传热面积情况下，单位体积内的换热面积是管壳式换热器的2~5倍，而占地面积仅为管壳式换热器的10%～20%。②重量较轻。板片厚度仅为0.4~0.8mm，壁厚仅为2.0~2.5mm，而且不存在壳体，框架较轻，耗材少，节约成本。③传热系数高。板式换热器中不同波纹金属板相互倒置，构成复杂流道，流体在较小的流速下能够形成湍流，而且效果明显，所以具有较高的传热系数，可达2000~6000W/（m2·℃），一般是管壳式换热器的3～5倍。④对数平均温差大。管壳式换热器采用修正系数来计算对数平均温差，导致修正系数较小；板式换热器的流体是通过并流或逆流的方式，使得温差修正系数一般较大，通常为0.95。⑤末端温差小、污垢系数低、能实现多种介质换热、容易改变换热面积或流程组合以及较为便捷的清洗等。

由于板式换热器特点，相比常用的管壳式换热器优势非常明显，再加船舶舱室空间紧张，采用设备要求结构紧凑和质量小，所以舰船上换热器更多使用板式换热器。

图1 板式换热器

2 冷凝水排放问题分析

冬季舱室负荷调节，通常在汽水板式换热器蒸汽侧设置蒸汽流量调节阀调节蒸汽流量来控制汽水换热量，进而达到控制负荷的目的。当舱室内负荷降低时，蒸汽流量调节阀开度减少，蒸汽流量降低，换热量减少。在减少蒸汽调节阀开度的过程中，板换蒸汽侧蒸汽冷凝速度大于蒸汽进入速度，导致蒸汽侧内部形成负压，疏水阀蒸汽侧压力小于环境背压，冷凝水排放受阻，冷凝水水位上升，汽水换热面积减少，会进一步导致汽水换热量降低。当舱室负荷增加后，蒸汽流量调节阀开度增大，蒸汽流量增加，换热量增加。在蒸汽的作用下，疏水阀蒸汽侧压力大于环境背压，冷凝水排水顺畅，冷凝水位迅速下降，汽水换热面积快速增大，汽水换热量会进一步增大。

舱室所需负荷高低的变化，通过蒸汽流量的增减来控制，但由于冷凝水排放问题，汽水换热面积也在被动变化。蒸汽流量增减和汽水换热面积变化叠加使板换负载变化速度较大，一方面，蒸汽调节阀开度频繁变化，使用寿命降低；另一方面，造成冷凝水的积聚和迅速排放，蒸汽侧汽水液面上下振荡，产生水锤效应，长时间的冲击使得板片变形甚至损坏，换热能力大大降低，严重影响板式换热器的使用寿命。

工程设计人员在选用板式换热器时，通常留有10%余量，甚至更大，通过增加板式换热器的换热金属片片数，以防止使用后产生污垢，影响传热效率。换热金属片片数增多也会使流体流速降低，大大减少阻力，对于泵的选择更加有利。但板式换热器增加余量会使得上述问题更加严重。所以，解决冷凝水排放问题对板式换热器更好地使用非常必要。

3 冷凝水排放方案

3.1 疏水阀和破真空阀结合使用

考虑到当舱室内负荷降低时，蒸汽侧内部形成负压，疏水阀蒸汽侧压力小于环境背压，造成冷凝水无法正常排放。我们在蒸汽入口安装破真空阀，解决由于冷凝引起的真空，使得蒸汽管路保持正压，冷凝水可以顺利排放。

这种控制方式，设备选用简单，成本低，便于调试，适用于吨位较小舰船的改造。但是，由于破真空阀的使用，使得空气进入蒸汽管路，需要排除空气，同时可能出现腐蚀；这种设备通常用于负荷较小的设备。（图2）

图2 疏水阀和破真空阀结合使用排放冷凝水方案示意图

3.2 疏水阀和机械泵结合使用

考虑到当舱室内负荷降低时，蒸汽侧内部负压造成冷凝水无法正常排放。我们在冷凝水排放管路上安装机械泵和疏水阀，提供机械动力，强制将被动积聚的冷凝水排走。

这种控制方式，设备管路较为复杂，需要在板式换热器下留有一定的设备空间安装冷凝水储存罐和阀件。（图3）

图3 疏水阀和机械泵结合使用排放冷凝水方案示意图

3.3 气动疏水阀

同样考虑到当舱室内负荷降低时，蒸汽侧内部负压造成冷凝水无法正常排放。我们在冷凝水排放管路上安装气动疏水阀，将被动积聚的冷凝水排走。冷凝水进入自动疏水阀，使得浮球上升，浮球和疏水阀机构相连[5-6]。如果上游压力足以克服背压，气动疏水阀仅充当普通疏水阀，冷凝水正常排出。当蒸汽管路内形成负压，低于环境背压，传统的疏水阀无法正常排水。而对于气动疏水阀，此时充当泵，动力来源于蒸汽。冷凝水增多，蒸汽口打开，蒸汽进入阀体后，阀内压力增大，超过背压，冷凝水即可正常排放[7]。阀内冷凝水水位下降，关闭蒸汽进口，同时打开蒸汽排放口，一直到阀内压力再平衡。在自动疏水阀冷凝水出口安装有止回阀，防止没有冷凝水回流到疏水阀内。（图4）

图4 使用气动疏水阀排放冷凝水方案示意图

3.4 综合控制方案

通过前三种方案可以解决冷凝水排放问题，但是通过蒸汽侧来控制换热量，一方面，负载变化快使得板式换热器出水温度控制困难；另一方面，冷凝水在饱和状态排放，高温冷凝水在回收或者排放时，产生二次蒸汽，不仅浪费能源，还污染环境。所以需要一套综合控制方案，在负荷变化时，使得冷凝水顺利排放，板式换热器出水温度也能快速稳定在设计值。

板式换热公式可以表达为：

式中，A：换热面积；k：传热系数；Δt：平均温差。

根据汽水换热公式，影响汽水换热量的因素有：换热面积，传热系数和平均温差。通过分析，可以考虑通过控制汽水换热面积达到控制汽水换热量的目的。

如果将调节阀安装在冷凝水管道上，通过调节换热器有效汽水换热面积满足负荷变化，可以看成汽水换热器串联水水换热器，并且汽水换热器的面积随负载的变化随时间可调。因此换热器内始终存在一个水水换热面积，可以降低冷凝水的排放温度，实现冷凝水过冷排放。（图5）

图5 综合控制方案示意图

T1、T2的温度在正常工作情况下温度相近，稳定在T0（热媒水设计出水温度）。

负荷降低，由于回水温度升高，再经过板换热媒水的出水温度会升高，T1、T2的温度升高。通过b阀门调节，使得板式换热器中冷凝水位上升，减少板换中蒸汽和热媒水换热面积以降低换热量。当T1、T2温度接近T0时，并稳定下来，关闭b阀门。当负荷段负荷波动较大，负荷快速降低，T1、T2的温度快速升高，打开b阀门，同时打开a阀门，通过旁通使得出水温度快速降低。当T1、T2温度接近T0时，并稳定下来，关闭a、b阀门。

负荷升高，回水温度降低，通过b阀门调节，使得板式换热器中冷凝水位下降，增加板换中蒸汽和热媒水换热面积以提高换热量。当T1、T2温度接近T0时，并稳定下来，关闭a阀门。

4 结论

相对其他换热器，板式换热器由于其高效换热、结构紧凑的特点，在舱室空间通常紧张的舰船上广泛应用。但由于负载变化快导致冷凝水无法正常排放而引起一系列的问题，尤其无法保证热媒水温度稳定在设计值，导致舱室环境难以控制，无法给舰员提供舒适的生活及工作环境。

通过分析蒸汽侧冷凝水难以排放原因，提出四种方案解决冷凝水排放问题，其中第四种方法最优，不仅解决冷凝水排放问题，而且使供、排水温度稳定控制，为后续板式换热器的使用提供参考。改变传统控制蒸汽流量来控制汽水换热量的方式，而是通过调节板式换热器中冷凝水液位高低来控制汽水实际换热面积，进而达到控制汽水换热量的目的，实现在舱室负荷变化的情况下，提供温度稳定的热媒水，使舱室环境更加舒适，有利于舰员的工作及生活。