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摘要：冷却系统是海洋船舶轮机的重要组成部分，设计合理的冷却系统能有效地防止海洋船舶轮机零部件过热或过冷，保证在各种工况下海洋船舶轮机受热零部件的温度保持在正常的工作范围内，对海洋船舶轮机的动力性、经济性、可靠性、耐久性以及排放指标等有着重要的影响。
关键词：船舶与海洋工程；冷却系统；应用研究
1引言
冷却系统是船舶与海洋工程装备动力单元的重要组成部分，其功能是保持整个系统的热平衡，保证系统正常运转。设计和选择合适的冷却系统关系到整个装备作业能否实现，因此非常关键。近些年来，船舶与海洋工程领域取得了长足的进步和快速发展，但国内关于冷却系统在船舶与海洋工程应用的文献非常匮乏，同时很多冷却系统的设计和生产企业仍处于摸索期，面对海洋环境的复杂性、恶劣性、工程要求的特殊性，承担着巨大的风险。笔者结合多年的船舶与海洋工程冷却系统设计及建造经验，对常用的冷却系统进行全面分析比较，为冷却系统在海洋环境下的设计选型提供支撑和指导。
2海洋工程常用冷却系统分析
海洋工程冷却系统主要有四种，即水冷式冷却系统、风冷式冷却系统、管壳式冷却系统和板式冷却系统。
2.1水冷式冷却系统
水冷冷却循环系统包括海水外循环和冷却液内循环。海水外循环冷却介质为海水，采用开环的工作方式。通过设备泵房内的海水泵给板式换热器冷侧供应冷却海水，冷却海水在换热器中吸收热量后，通过管路直接排入大海，完成外循环。冷却液内循环冷却介质为防冻液，内循环系统工作时防冻液由不锈钢泵从贮液箱抽出，流经板式换热器，与外循环冷却海水进行热交换，降温后流经热负载的发热表面，吸收热量，降低热负载温度，冷却液温度随之升高后返回机柜贮液箱，完成内循环。流程如图1所示。
图2风冷式冷却循环系统原理图
2.3管壳式冷却系统
管壳式冷却系统属于间壁式换热器，其换热管内的流体通道称为管程，换热管外的流体通道称为壳程。当管程和壳程分别流经两种不同温度的流体时，温度相对高的流体经过换热管壁把热量传递给温度相对低的流体，温度相对高的流体被冷却，温度相对低的流体被加热，进而完成两流体的换热。
2.4板式冷却系统
板式冷却系统由通道板、盲板、端板、端封以及通道密封组成。换热器的两端分别是盲板和端板，中间部分则全是通道板，密封分别夹在通道板及端板之间，使之形成了许多隔开的容腔，通道板的四个角开有圆孔，允许加热介质和被加热介质在此流过，由于板片是具有特定形状，周边及孔的周围压有密封垫片槽，所以一种介质只能流到隔一个容腔中，而不会流到相邻的容腔中，这样就使加热介质和被加热介质充分接触，从而达到换热目的。几何形状复杂的板间流道断面使得其具有较高的传热系数，这是因为介质经过时，流动方向和流动速度在不断变化，流速很低时还会产生湍流，强化了传热效果。
3几种冷却系统在船舶与海洋工程中的应用比较分析
3.1占地面积及重量
板式换热器结构紧凑，单位体积换热面积是壳管换热器的2～5倍，不需要为管壳式换热器等管束预留维修场地。紧凑度：管壳换热器为78m2/m3，板式换热器为220m～2/m～3。因此，在完成相同的换热任务时，板式换热器的地板面积约为壳式换热器和管式换热器的1/5/1/10。板式换热器板厚0.6～0.8mm，管壳管厚2.0～2.5mm。管壳式换热器的壳比板式换热器的壳厚得多。在相同传热任务的情况下，板式换热器的换热面积比壳式换热器和管式换热器小，即板式换热器的重量约为管壳式换热器的1/5左右。虽然壳式换热器和板式换热器单位体积内的换热面积比风冷散热器大，但风冷散热器的面积比壳式换热器和板式换热器小、轻，同时在多个冷却单元的情况下，风冷散热器具有更高的集成度和更紧凑的结构。
3.2冷却效率
传热系数过去称为总传热系数，现行国家标准和规范称为传热系数，是衡量所有冷却系统工作效率的重要指标。壳管换热器的传热系数高于板式换热器。12560～20934kJ/m2?h?℃在正常情况下，板式换热器的总传热系数大于管式换热器的三到五倍；在相同的传热面积下，板式换热器的循环面积比管式换热器的循环面积大五倍，而T型换热器的传热面积比管式换热器的换热面积大。压力降小，在最小传热温差下，壳式换热器为三到五摄氏度，板式换热器为一到三摄氏度。空气冷却系统受空气的强迫，空气的比热容远低于水的比热容，所以热量是相同的。如果空冷方式需要提供很大的空气流量，与板壳相比，传热性能较差。
3.3制造成本
与陆地环境相比，海洋环境对散热器的耐腐蚀性能要求更高。在散热器的设计和加工中，应选用符合防腐要求的材料。与陆上应用环境相比，成本将大大提高。然而，在相同的海洋环境下，由于板式换热器主要采用耐腐蚀金属板材，原材料价格低于同类材料，制造工艺主要是冲压成形，机加工少，零件通用性强。比外壳高，从而大大降低了生产成本。同时，采用传热涂层对板式换热器的板面进行处理，可以抵抗各种介质的腐蚀，特别是氯离子在水中的腐蚀。板式换热器的使用寿命是管式换热器的2~3倍。空气冷却散热器的结构在前两种内部并不复杂.该结构一般采用全铝或全铜散热器结构，具有良好的腐蚀性能，制造工艺相对简单，加工操作少，材料成本的经济优势更加突出。
4结语
近年来，我国船舶与海洋工程领域取得了很大的进步与发展，但是我国关于冷却系统在船舶与海洋工程当中应用的文献是极其缺乏。冷却系统是船舶动力装置和船舶工程设备的重要组成部分，其功能是维护整个系统的热平衡，保证系统的正常运行，合适的冷却系统的设计和选择是整个设备运行的关键，只有这样才能促进冷却系统在船舶与海洋工程上的应用和发展。
参考文献
[1]郭卫勇.船舶冷却水系统建模与仿真[D].武汉理工大学，2008.
[2]朱杨.船用柴油机冷却系统仿真与试验研究[D].天津大学，2016.
论文作者:宋书明,朱帅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年4期
论文发表时间:2019/6/17
标签：换热器论文; 系统论文; 海洋工程论文; 船舶论文; 管壳论文; 板式换热器论文; 流体论文; 《建筑学研究前沿》2019年4期论文;