冷却系统在船舶与海洋工程上的运用

发表时间:2019/6/10   来源:《建筑学研究前沿》2019年3期   作者:宋昱童
[导读] 随着海洋事业的不断发展,船舶工程也越来越发达,然而在海洋环境的应用过程中,我们却发现相关的科研素材数量极少,因而难以实现系统性的知识库,从而难以对现在产业的发展进行指导选型。

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        摘要:随着海洋事业的不断发展,船舶工程也越来越发达,然而在海洋环境的应用过程中,我们却发现相关的科研素材数量极少,因而难以实现系统性的知识库,从而难以对现在产业的发展进行指导选型。本文通过我国相关行业多年的生产实践经验,对于冷却率、污垢因数、生产成本、工作作用力和生产工程中的噪音以及温度等多方面来进行分析比较,从而论证各种冷却方式在船舶方面的应用。
        关键词:应用分析、冷却系统、船舶海洋工程
       
        冷却系统的功能是使得整个船舶工程的动力系统在任何情况之下都能有正常的工作温度,既要防止其温度过低,影响其动力性,同时也要防止其过热,从而对其工作安全性产生影响。因而我们可以发现设计和工作状态相关的冷却系统,对于船舶作业设备是非常重要的。目前,我国船舶工程行业得到了长足的发展,但是在这个过程中我们可以看到,关于冷却系统在船舶海洋方面的文献比较缺乏,与此同时,很多的冷却方式的设计和开发目前多属于摸索阶段,尚不能够形成完整的科学体系,因而势必会对海洋工程的发展有所阻碍。作者通过多年的冷却系统的设计开发经验,对常用的动力冷却方式进行分析研究,从而可以在一定程度上提供给相关领域在设计选型上有所指导。
        1 海洋环境常用冷却系统分析
        比较常见的海洋动力系统的冷却方式主要有以下几种:风冷系统,管壳式冷却系统和板式冷却系统。
        1.1风冷式冷却系统
        风冷系统的基本工作原理是:通过用冷气流来对热的动力源组件进行冷却,它的基本实现方式是热交换。它的基本组成包括动力系统(发动机、发电机等)、冷却风扇、散热器、节温器等。当需要冷却系统进行工作时,在蓄电池的作用下,通过冷却风扇,风扇一般采用轴流式,即产生的气流方向沿着轴线方向,然后将冷却气流吹向散热器芯,这样通过温差将动力系统多余的热量带走。但是这种方法虽然结构简单,由于风的吸热能力远远低于水,所以一般采用这种方式需要很大流量的风。
        1.2管式冷却系统
        管壳式的冷却系统其实质详单与一个热交换器,它的主要工作原理和散热器相似。内部液体流过的路径称之为管程,换热管道外部的流通路径成为壳程。当这两个流程有高低两种温度的液体流过的时候,就会出现温度较高的液体会向温度较低的液体散热,从而高温液体的温度就会被控制到一定范围之内。从而就完成了整个热量交换的过程。
        1.2板式冷却系统
        板式的冷却系统实际上是管片式的热交换系统。它主要是通过盲板和通道板将空间分离,形成许多隔开的容器。在两端一般使用盲板进行隔绝,然后将密封夹在通道板和断面板之间。而在整个通道板的几个棱角处一般都有倒圆孔,从而可以使得加热的液体和冷却液体能够流经相关通道。由于密集的冷却空间会使得冷去液体和导热液体能够充分接触并进行散热,所以热交换进行的迅速。为了能够更好的进行散热,我们一般可以考虑使用几何形状复杂的流道,这是因为这样的流道一般来讲传热性能比较好,因为液体在流动的过程中其速度和加速度都在不断的变化,同时也可能会产生比较强的涡流运动,所以可以使得传热效果明显[1]。
        2 三种散热器在海上应用的分析比较
        2.1 冷却能力
        一般来讲我们都是用导热系数来表征冷却能力的。由于板式的热交换系统具有很强的传热能力,因而其导热系数相较于管壳式的来讲要大很多。据统计,一般情况下,板式的交换系统的热交换能力要比管壳式的大3-5倍左右。也就是说如果换热容积一定的情况之下,我们发现板式的散热系统的液体流通面积要比壳式的大5倍左右。而风冷系统的话,由于气体的比热同远小于液体,所以要想进行相同程度的冷却所需要的气体流量要远大于液体流量。这样所需要的体积也是非常的大,因而对相关系统的布置也是要求比较大。



        2.2 占地面积及重量
        由于板式的散热器相同体积情况下内部的允许液体流通的面积比较大,所以他的结构可以设计的比较紧凑,同事也不需要留出来单独的修正场所,所以一般来说管壳式的要紧凑许多。所以说需要进行相同程度的冷却的时候,板式的散热器所需要的安装空间会小很多。同时板式散热器相对于管壳式的来讲,他的一个突出优点就是板材厚度明显较低,因而相同情况下节约用材,成本大大下降。与此同时,也可以使得板式的热交换器的质量能够大大降低。虽然风式冷却系统需要较大的空间,但是由于其有着较小的重量,因而结构也是比较紧凑,便于进行集成处理,大批量生产时可以降低生产成本[2]。
        2.3 污垢系数
        由于板式换热系统的散热面积较大,因而液体可以有较大的流通速度,甚至可以形成一定强度的湍流运动,所以相较于管壳式的换热器来讲,其污垢系数要小得多。还有一个原因就是他的板材通常是用不锈钢来进行制作,所以工作表面比较光整,清洗方便。而与之相对应的管壳式的系统,它由于存在较多的死区,因而污垢比较容易沉积同时难以清理,所以污垢系数较大。
        2.4 制造成本
        由于海洋的酸碱性相较于正常淡水来讲比较大,所以这就对了相关的板材的耐腐蚀性能提出了很大的挑战,所以成本也就相应的提高。在形同的腐蚀环境下,由于板式的材料通常是使用冲压加工,单独的进行机械加工的工序步骤比较少,所以同等材质情况下,要比管材的成本低很多。同时板式的热交换器为了实现良好的热交换和密封,一般会在板材表面进行膜化处理,所以可以承受海洋中各种离子尤其是卤离子的腐蚀,因而其使用的时间一般比较长,所以其整个成本也就会进行降低。而风冷式的系统来讲,一般它采用的是全铜式的内部散热心,所以散热能力可以适当增强。同时它的突出优点是工艺比较简单,加工工序比较少,所以相关的经济性的优点也是非常的突出。
        2.5 工作压力和温度
        由于热交换器的相关板材的结构强度和刚度与工作压力和工作温度有着莫大的关联,所以需要对这两个因素进行分析。板材的耐热性能通常是由他本身的成型和结构来决定的。而管壳式的散热器它的材料的选择是可以很广泛的,一般来讲只有垫片的压紧力是比较大的,主要是为了能够进行密封。而板式的交换器由于垫片的密封性能一般比较好,所以它的半材的厚度比较低,整个结构的刚度也是较差。在整个安装使用的过程中可能会产生一定的泄露。
        2.6 工作噪音
        由于空气冷却系统一般使用的是强制冷却散热,通过流体的温度差和对流来实现热量交换,所以整个工作过程的噪音大一些。而管壳式的由于液体流动时候的声音较小,所以工作具有良好的工作安定性,常用于对工作噪音限制比较严格的场所。
        3 总结
        对于海洋船舶系统工程,由于在海上不同于在陆地,其整个工作环境比较恶劣,同时占有空间有限,所以我们在进行相关参数设计的时候要主要兼顾旱地大小与冷却能力之间的关系。一方面要能够保证散热能力,从而使得整个工作系统能够在正常的温度环境下进行工作,同时也要兼顾占地面积,使得空间利用率尽可能的高。对于散热装置的核心散热器来讲,一般要求其在能够满足散热性能的情况下要尽可能的提高其耐腐蚀性从而提升其使用寿命。同时也要关注使用过程中的噪音控制,尽量能够使其适应于各种对工作噪音要求不同的场所,提升其通用性。板式的交换器由于结构比较紧凑,同等条件下散热能力较强,同时成本和使用寿命也较好,可以在设计的过程中优先考虑[3]。
       
        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,2017,20(03):5-10.
        [2]赵珂,雷林,赵藤,袁培银.船舶与海洋工程专业实践教学模式探索[J].科技经济导刊,2018,26(27):168+151.
        [3]郭克余.船舶海水冷却系统状态感知技术研究[D].大连海事大学,2017.

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