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        船舶輪機中板式換熱器的有效應用

        2022-09-28 11:30:08秦偉民
        船舶物資與市場 2022年9期
        關(guān)鍵詞:板片輪機傳熱系數(shù)

        秦偉民

        (南通象嶼海洋裝備有限責任公司,江蘇 南通 226300)

        0 引言

        隨著海運工作的不斷開展,船舶輪機的運行效率顯著提升,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發(fā)展提供了必要的保障。但是根據(jù)現(xiàn)有的運用經(jīng)驗發(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一步推廣,為了能夠順應未來行業(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,且檢測結(jié)果顯示,該裝置在換熱時的傳導系數(shù)最高值可達到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)該裝置的應用經(jīng)驗可以發(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。此時為保證剛度與換熱效果,通常在平板設(shè)計中會設(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-水換熱時的傳熱系數(shù)最高值可達到7000 W/(m2·K),且因為裝置結(jié)構(gòu)簡單,因此清洗過程簡單。同時,該裝置一旦出現(xiàn)密封墊片損壞,則會造成泄漏,所以難以適應大流量傳熱的要求,所以該裝置主要被應用在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行要求。同時該裝置內(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,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)導向溝槽,主要被固定在角孔周圍的密封槽中,有介質(zhì)導向的功能。

        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),故流體在運行過程中,會因為波紋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,這種板片可以強化熱交換效果,其傳熱系數(shù)最高值可能達到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)生改變的情況下進行快速反應。3)適用性更強。該裝置滿足靈活組裝的要求,且裝置的負荷適應能力更強,為了能夠順應不同工況,只需要選擇增加或者減少板片就可以調(diào)整組織形式,所以該裝置的應用范圍更廣。

        2 板式換熱器在船舶輪機中應用的優(yōu)點

        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),并且在船舶輪機中,因為波紋鋼板裝置的存在,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會形成復雜的流道,在流體運行期間可維持三維流動,尤其是當裝置內(nèi)的雷諾數(shù)為50~200時會導致內(nèi)部出現(xiàn)湍流。

        2.2 熱損失小且熱回收率高

        因為板式換熱器具有結(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]。又因為板式換熱器的傳熱系數(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,這是因為換熱器在單位體積內(nèi)的換熱面積明顯高于常規(guī)換熱器,并且該設(shè)備不需要預留檢修場地,所以當系統(tǒng)在執(zhí)行換熱任務(wù)時,該裝置的占地面積僅為常規(guī)換熱器的1/5。同時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

        1)有更強的適用性。板式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單,組裝過程靈活,且該裝置對于復雜條件下的負荷展現(xiàn)出很強的適用性,如為了能夠增加或者減少熱負荷,只需要增減板片數(shù)量即可,在改進后即可適用復雜工況。從應用經(jīng)驗來看,該裝置能夠滿足使用蒸汽乃至高粘度液體時的運行要求,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,這種改進方法能夠適應復雜工藝的生產(chǎn)要求。2)不易結(jié)垢。因為板式換熱器使用了波紋狀的形狀,該裝置可以強化液體流動的要求,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。因為該裝置可以在低流速下出現(xiàn)湍流,而在湍流的作用下,會導致粒子懸浮、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用低的優(yōu)點。這是因為板式換熱器的結(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。同時該裝置通過沖壓成形的處理工藝,在生產(chǎn)過程中不會預留焊點,有助于模塊化安裝與生產(chǎn),該裝置后期運行中發(fā)生故障概率的風險較低,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,這也意味著板式換熱器可以順應船舶輪機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求?,F(xiàn)階段在板式換熱器中,相關(guān)學者通常會采用空心鋼碳板加強肋的結(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,使原本復雜的空間結(jié)構(gòu)變得更加簡單、便捷,對于船舶輪機整體結(jié)構(gòu)的改進有重要意義。結(jié)合相關(guān)學者的有限元分析結(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)應力應變的分布要求來改進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行加厚等,確保整個結(jié)構(gòu)能夠滿足船舶輪機的運行要求。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,并消除殘余應力等,所以在應用該裝置時能夠不斷優(yōu)化船舶輪機的結(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

        在船舶輪機中使用的板式換熱器為多點固定的方法,該固定連接方法的關(guān)鍵點,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,可以使用加強肋結(jié)構(gòu)的固定方法,在船舶輪機中應用該裝置有助于提升緊固效果,避免因為船舶搖晃、振動等現(xiàn)象而導致板式換熱器的移位。

        3.3 因為冷卻介質(zhì)特殊性的要求

        海水的顯著體征是具有更高的含鹽濃度,但是從化學性質(zhì)來看,氯離子的存在會造成嚴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。同時該材料的質(zhì)量更輕,加工難度更小。在船舶輪機運行期間,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)性能進行檢驗,根據(jù)板片的著色滲透檢驗結(jié)果對板體的性能展開評估,根據(jù)檢驗結(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,是可以延長設(shè)備的使用年限,并使設(shè)備具有更強的防腐效果。

        3.4 針對傳熱介質(zhì)的問題

        因為水的比熱容明顯大于油,受到這物理機制的影響,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,為強化板式換熱器的功能,則需要隨時觀察油水傳熱性能,由此來保證換熱裕度達標,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系統(tǒng)的整體造價,因此該裝置可以為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益,這與板式換熱器技術(shù)的快速發(fā)展存在相關(guān)性。同時在該裝置維護中,板式換熱器發(fā)生故障風險的概率較低,一般認為,若該裝置能夠正常運作,則在維護過程中只需要進行簡單的清洗即可;若因為各種原因而導致該裝置的運行過程出現(xiàn)異常,由于整個構(gòu)件的成本較低,工作人員可以隨時更換故障零部件,進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影響,因此對于工作人員而言,在未來工作中應該認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,這樣才能充分適應未來船舶技術(shù)發(fā)展要求。工作人員應考慮優(yōu)化換熱器、解決船舶輪機運行不穩(wěn)定的方法,同時關(guān)注沖擊與后期維護工作,采用科學的方法來提升設(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。

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