柳蕾

(大連冷凍機(jī)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部，遼寧大連 116033）

·低溫與制冷·

船用冷凝器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)淺析＊

柳蕾

(大連冷凍機(jī)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部，遼寧大連 116033）

根據(jù)船用換熱器的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)，介紹了船用冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。針對(duì)船用設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，包括漁船上設(shè)備操作空間的限制、船體海上捕撈作業(yè)的顛簸情況，及海水對(duì)設(shè)備的強(qiáng)腐蝕性等方面，對(duì)船用冷凝器結(jié)構(gòu)形式的選取以及其區(qū)別于陸用產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)做出了說(shuō)明。

船用冷凝器;結(jié)構(gòu);特點(diǎn)

隨著大型遠(yuǎn)洋漁船及海輪的大容量冷凍、冷藏運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋漁業(yè)上的食品保鮮、冷藏、速凍、低溫加工、船舶空氣調(diào)節(jié)等的船用制冷機(jī)組及附屬設(shè)備越來(lái)越受到人們的關(guān)注;特別是對(duì)于船用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊性、運(yùn)行穩(wěn)定性、高效換熱性及安全保護(hù)的要求不斷提高。

圖1 制冷系統(tǒng)循環(huán)示意圖Fig.1 System refrigerating circulation scheme

一般而言，一個(gè)完整的船用制冷循環(huán)系統(tǒng)是指，壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸入低壓氣體后，經(jīng)壓縮變成高壓氣體并被排到冷凝器中，高壓氣體在冷凝器中被冷卻水冷卻為高壓液體，高壓液體經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流成低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器，低壓液體在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，低壓制冷劑液體在蒸發(fā)的同時(shí)吸收冷媒水熱量，從而制取低溫冷媒水。蒸發(fā)后的制冷劑氣體又被壓縮機(jī)吸入，再進(jìn)行下一次循環(huán)。整個(gè)制冷系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

在此系統(tǒng)中，船用冷凝器與外界的冷卻介質(zhì)換熱，因?yàn)樘厥獾墓ぷ鳝h(huán)境不同于陸用設(shè)備，所以需要采用很多技術(shù)手段確保冷凝的目的，下面對(duì)這些方面分別介紹。

1 制冷劑

《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范1998》中許可使用的制冷劑包括:R717、R22、R12、R502，多數(shù)船用換熱器一般選用不燃燒、不爆炸且價(jià)格便宜的R22作為制冷劑，在冷凝器中礦物油將溶解于R22液體中，不易在傳熱表面形成油膜而影響換熱。隨著時(shí)代的進(jìn)步，制冷劑也不斷發(fā)展，目前，一些非共沸混合制冷劑例如R404A也應(yīng)用在船用設(shè)備中。

2 結(jié)構(gòu)形式

冷凝器按冷卻介質(zhì)和冷卻方式，可以分為三種類(lèi)型:水冷冷凝器、空冷冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器。

這三種方式都可以應(yīng)用在陸用產(chǎn)品中，但船用設(shè)備一般只能選用水冷式結(jié)構(gòu)。首先，空冷和蒸發(fā)式冷凝器需要較大的空間和好的通風(fēng)條件，這就限制了設(shè)備的安裝位置，不能在船艙內(nèi)使用，而船用設(shè)備多數(shù)都需要安裝在甲板下面的倉(cāng)體空間內(nèi);其次，即使可以安裝于甲板上，在高溫高濕的氣流中工作，空冷冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器配套的風(fēng)機(jī)也極易被空氣中的海水腐蝕，發(fā)生故障。所以，以方便得到的海水作為冷卻水的水冷冷凝器是船用設(shè)備的最佳選擇。

水冷冷凝器結(jié)構(gòu)也很多樣，有管殼式、板換式等，板換式冷凝器雖然結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、換熱系數(shù)高，但對(duì)冷卻水的水質(zhì)要求較高。海水中含有雜質(zhì)和浮游生物，很明顯不能滿(mǎn)足其對(duì)水質(zhì)的要求，容易造成堵塞，不易清洗。所以，船用冷凝器采用水冷臥式管殼式結(jié)構(gòu)是最為方便、合理、可靠的選擇，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積比較小;換熱管內(nèi)的水流速較高 (一般取1.8～3.0 m/s），所以傳熱系數(shù)較大 ［930～1593 W/(m2·℃）］;冷卻水的溫升較大，所以冷卻水的耗量較小。

3 工作原理

船用冷凝器通常采用海水作為冷卻水，通過(guò)殼程和管程之間的熱量交換，將壓縮機(jī)排出的高壓、高溫氣態(tài)制冷劑冷凝成液體，并帶走其熱量。制冷劑在冷凝器中放出的熱量包括兩部分:一是在蒸發(fā)器中吸收的被冷卻物體的熱量;二是制冷劑蒸氣在制冷壓縮機(jī)中被壓縮時(shí)，由壓縮機(jī)消耗的機(jī)械功轉(zhuǎn)化的熱量。

制冷劑在冷凝器中被冷卻冷凝液化的過(guò)程如下:過(guò)熱蒸氣→飽和蒸氣→飽和液體→過(guò)冷液體。

4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

船用冷凝器筒體兩端各焊有多孔管板一塊，兩管板之間脹接水平傳熱管。管板外側(cè)設(shè)有前、后管箱，管箱內(nèi)側(cè)具有滿(mǎn)足水流程需要的隔腔，保證冷卻水在管程中往返流動(dòng)，使冷卻水從一側(cè)管箱的下部進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過(guò)若干個(gè)流程后由同側(cè)管箱的上部流出。采用多流程的設(shè)計(jì)主要是為了減小水的流通面積，提高冷卻水流速，增強(qiáng)水側(cè)換熱效果。國(guó)產(chǎn)臥式殼管式冷凝器一般為4～10個(gè)流程。若流程數(shù)過(guò)多，會(huì)增大水側(cè)流動(dòng)阻力，加大水泵功耗。高溫的制冷劑蒸氣從冷凝器上部的進(jìn)氣管進(jìn)入殼程內(nèi)管束間，與管內(nèi)冷卻海水通過(guò)管壁進(jìn)行充分的熱交換，變成制冷劑液體，由位于容器下部的供液閥放出。冷卻海水從冷凝器一端端蓋進(jìn)入后，按順序通過(guò)每個(gè)流程，最后從同一端蓋流出。此外，筒體上部裝有安全泄放裝置，如放氣閥等，端蓋上裝有放空絲堵、放水絲堵、防腐鋅塊，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。其具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

與陸用冷凝器相比，船用產(chǎn)品在安全泄放裝置上的要求更為嚴(yán)格。根據(jù)《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范1998》中對(duì)安全設(shè)備的規(guī)定“制冷劑系統(tǒng)的所有受壓容器均應(yīng)裝設(shè)串聯(lián)安裝的安全閥和安全膜片。并且安全閥和安全膜片之間應(yīng)裝設(shè)指示中間壓力的壓力表?！比鐖D2中的船用安全閥組就是將安全閥、安全膜片 (配有夾持器）、壓力表以及一個(gè)直角式截止閥做成一個(gè)部件，整體安裝于冷凝器殼體的上方。安全閥組的好處在于安裝和裝箱運(yùn)輸方面都比較方便。

圖2 船用冷凝器外型結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration ofmarine condenser

漁船遠(yuǎn)洋作業(yè)工作環(huán)境的特殊性，使得船用冷凝器在結(jié)構(gòu)上也有別于陸用產(chǎn)品。首先，不是傳統(tǒng)的“底部中心出液”方式，考慮到漁船在出海捕撈時(shí)，海面風(fēng)浪對(duì)船體造成的搖擺，導(dǎo)致冷凝器液面不穩(wěn)的實(shí)際情況，采用底部?jī)蓚?cè)雙出液的結(jié)構(gòu)可以使出液更加均勻，換熱器運(yùn)行更為安全可靠;此外，船體搖擺會(huì)導(dǎo)致冷凝器中換熱管產(chǎn)生震動(dòng)，造成支持板孔對(duì)換熱管的磨損，這種磨損會(huì)造成換熱管的泄漏，減少換熱器使用壽命。目前，有些設(shè)計(jì)廠(chǎng)家較為理想的改善方法是在支持板孔與換熱管之間裝配了緊固套，利用緊固套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)防止換熱管與支持板間的磕碰，其結(jié)構(gòu)及原理見(jiàn)圖3。

將緊固套一端通過(guò)圖上的序號(hào)1、2部分固定于支持板孔處，使得換熱管與支持板間沒(méi)有直接的接觸;另一端利用緊固套的預(yù)緊力，通過(guò)四個(gè)固定點(diǎn) (圖上的序號(hào)3）的張力來(lái)固定換熱管，防止支持板邊緣對(duì)換熱管的磕碰損傷。

5 防腐處理

船用冷凝器管程充注工作介質(zhì)是海水，具有一定的腐蝕性，所以管程的防腐工作至關(guān)重要。由于與海水接觸的各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)的不同，其防腐措施也應(yīng)根據(jù)各部件具體的情況進(jìn)行選擇。

圖3 緊固套結(jié)構(gòu)及原理Fig.3 Configuration and elements

5.1 前、后管箱

前、后管箱可以通過(guò)涂抹防腐涂層來(lái)抗海水腐蝕，但由于防腐涂層價(jià)格高且具有一定毒性，所以這種方式并不常用。利用犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極來(lái)防海水腐蝕是最為方便、可靠并且節(jié)約成本的方法。采用Q235B/Zn制作的鋅塊絲堵 (結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4），利用Zn金屬活動(dòng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，與海水接觸時(shí)，海水會(huì)最先腐蝕絲堵中的鋅塊，只要定期及時(shí)更換鋅塊絲堵，就可以起到保護(hù)管箱的目的。此外，做成絲堵的結(jié)構(gòu)，拆卸及更換更為簡(jiǎn)單、方便。鋅塊的數(shù)量取決于需要防腐蝕的面積，一般來(lái)說(shuō)，防腐鋅塊的面積是前、后管箱內(nèi)部需防腐蝕面積的1%～2%。

圖4 鋅塊絲堵結(jié)構(gòu)Fig.4 Configuration of zinc-screw

5.2 換熱管

傳統(tǒng)換熱管多采用鋁黃銅的外翅片管，但這種內(nèi)部光管的結(jié)構(gòu)換熱效果一般。目前高效船用冷凝器多選用銅鎳合金高效的換熱管，其優(yōu)勢(shì)在于其管內(nèi)的里脊設(shè)計(jì) (如圖5所示），不僅增大了換熱面積，且造成紊流二次流，管內(nèi)換熱效率得到提高，因此提高了整體的換熱效率。

圖5 換熱管比較Fig.5 Difference of heat-exchanging tube

5.3 管板

管板設(shè)計(jì)厚度一般比較厚，并且只有一面是和海水直接接觸的，如果將這么厚的管板整體采用耐腐蝕材質(zhì)制造，必將增加管板的制作成本，所以采用結(jié)構(gòu)更為合理的爆破復(fù)合式管板。只是將與海水接觸側(cè)的表面選用一定厚度耐腐蝕材質(zhì)06Cr18Ni11Ti，管板基層選用普通鋼板。這樣既能起到防海水腐蝕的作用，又能降低制造成本。

根據(jù)GB151—1999《管殼式換熱器》第5.8.2.3節(jié)中的要求，使用了保證換熱管與復(fù)合管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。復(fù)合管板與換熱管連接型式 (開(kāi)兩個(gè)環(huán)槽）見(jiàn)圖6。

5.4 冷卻海水流速控制

在其它基礎(chǔ)條件不變的情況下，冷卻海水流量的大小對(duì)于船用冷凝器換熱效果的影響是比較大的。冷卻海水流量越大，流速提高，傳熱系數(shù)則隨流速提高而增大，冷凝器換熱能力增強(qiáng)，但同時(shí)也導(dǎo)致冷卻海水對(duì)換熱管端的沖蝕嚴(yán)重，減少換熱管的使用壽命。根據(jù)GB151—1999《管殼式換熱器》中第5.11.1節(jié)管程設(shè)置防沖板條件中的規(guī)定“當(dāng)管程采用軸向入口接管或換熱管內(nèi)流體流速超過(guò)3 m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體的不均勻分布和對(duì)換熱管端的沖蝕?！彼?，在避免管程側(cè)設(shè)置防沖板的前提下，降低管內(nèi)水流速，使之控制在3 m/s以下，既可以防止冷卻海水因流速過(guò)快而沖蝕換熱管端，又能夠保證冷凝器良好的換熱效果。

圖6 換熱管與管板脹接形式Fig.6 Joining-up of tube sheet and tube

6 結(jié)束語(yǔ)

船用冷凝器作為制冷裝置的主要熱交換設(shè)備之一，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，外形尺寸越來(lái)越緊湊，運(yùn)行可靠性也越來(lái)越高。隨著時(shí)代的發(fā)展，新技術(shù)、新工藝的不斷革新，船用冷凝器還有很大的改進(jìn)空間。包括管箱結(jié)構(gòu)、冷卻水流量控制及分配、供液管線(xiàn)設(shè)計(jì)、海水防腐的新方法、高效換熱性等諸多方面都需要繼續(xù)研究、不斷完善，使產(chǎn)品無(wú)論外觀(guān)、結(jié)構(gòu)、操作和運(yùn)行穩(wěn)定性等，不僅僅滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范和用戶(hù)的要求，還能在節(jié)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年畢業(yè)于上海理工大學(xué)制冷與低溫專(zhuān)業(yè)，2002年8月進(jìn)入大連冷凍機(jī)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部工作，一直從事壓縮機(jī)主機(jī)及機(jī)組開(kāi)發(fā)及技術(shù)整改工作。先后參與國(guó)家863計(jì)劃CYJZVLGF193D船用螺桿壓縮機(jī)組、船用冷水機(jī)組等新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，同時(shí)參與100、125、170系列活塞壓縮機(jī)的技術(shù)整改等工作。