冷却系统在船舶与海洋工程上的应用分析
摘 要：随着我国的经济快速进步，我国的船舶与海洋工程事业也得到了迅速的发展，经济的发展不仅带来了很多的机遇，同样也带来了非常多的挑战。但是目前关于海洋环境当中冷却系统的应用的相关研究文献存在严重的不足，同时无法准确知道现有的与设计和选型，在本文当中针对海洋环境中冷却系统的应用以及在海上应用过程中各个方面的比较进行了分析和阐述。
关键词：船舶与海洋工程；冷却系统；应用分析
我国船舶与海洋工程领域在近几年的发展中取得了很大的进步与发展，但是关于冷却系统在船舶与海洋工程中的应用文献比较缺乏。同时，大多数冷却系统的设计以及生产企业都处于前期的发展阶段，在面对海洋环境工程的复杂性以及特殊性情况下还存在很多的风险。
一、分析海洋环境常用的冷却系统
目前海上冷却系统主要有三种，分别是管壳式冷却系统、风冷式冷却系统以及板式冷却系统。
1.1管壳式冷却系统
管壳式冷却系统又属于间壁式换热器，换热管道内部的流体通道又被称为管程，而位于换热管外的流体通道又被称作壳程。当两种不同温度的流体流过管程与壳程时，其中流体问题比较高的在流经换热管壁时能够将温度传递给相对比较低的流体，然后将温度相对高的流体冷却下来，其中流体温度较低的又被加热，最终实现两流体之间的换热。
1.2风冷式冷却系统
风冷式冷却系统的组成主要是：动力源，其中包括发动机、电机、液压马达等，散热器芯组模块以及风扇等等，通过机械设备将风扇带动起来，通过强制对流的作用，将系统内部多余的热量带出去，进而实现散热的目标。但是因为空气的比热容要比水的低，所以，想要通过风冷的方式将同样的热量散出去需要很大的风量。
1.3板式冷却系统
板式冷却系统的组成为通道板、端板、盲板、端封以及通道密封。板间流道断面的几何形状复杂，进而导致其传热系数比较高，这是因为通过介质时，介质的流动方向与速度会一直不断地发生变化，在流速比较低的时候还能够产生湍流，使得传热效果得到强化。
二、船舶与海洋工程三种冷却系统之间的比较分析
2.1污垢系数
管壳式换热器的污垢系数要比板式换热器的污垢系数大很多，主要原因是因为板间换热器流体的剧烈湍流，使得杂质不会轻易沉积；而板片间的流体通道比较小；在这其中的换热面是用不锈钢制作而成，其表面光滑易清洗。但是管壳式的换热器内部的流体流动十分复杂，有死区和旁路存在，清洗起来比较费劲，其中的杂质很容易沉积形成污垢。
2.2工作噪声
风冷式冷却系统是通过强制空气来实现对流散热，因此散热设备的噪音通常都会比较高，板式冷却系统与管壳式冷却系统在进行工作的过程中相对比较安静。因此对于要求静音工作的场所，适合使用板式冷却系统或者管壳式冷却系统。
2.3冷却效率
传热系数是衡量冷却效率的一个重要指标，从换热的系统来看，管壳式冷却系统稍微差于板式换热器，板式换热器的传热系数比较高，通常能够达到12560～20934kJ/m2·h·℃。通常来说，板式换热器的总传热系数和管壳式换热器相比，要高出3～5倍以上；而且换热面积相同的情况下，板式换热器的流通面积大出管壳式换热器5倍，而且压降比较小；在最小传热温差方面，板式换热器为1～3℃，而管壳式换热器为3～5℃。风冷系统主要是通过空气来进行强制制冷，因为空气的比热容要比水低很多，所以在热量相同的情况下，如果用风冷方式进行制冷，那么用到的风量就会比较大，而传热性能要比板式和管壳式差。
2.4占地面积及重量
板式换热器的结构比较紧凑，在单位体积内换热面达到了管壳式换热器的2～5倍，而且不需要给管束预留出检修场地，而管壳式换热器需要预留出位置。在紧凑度这一方面，管壳式换热器是78m2/m3，而板式换热器达到了220m2/m3。所以在实现同样的换热任务过程中，占地面积板式换热器达到了管壳式换热器的1/5～1/10。其中板式换热器的板片厚度为0.6～0.8mm，管壳式的换热管厚度达到2.0～2.5mm；板式换热器的框架重量要比管壳式的壳体轻很多。在实现同样换热任务的情况下，用到的换热面积板式换热器要比管壳式的小，就是板式换热器的重量比较轻，能够占到管壳式换热器的1/5左右。而且单位体积内的管壳式换热器以及板式换热器换热面积要比风冷式的大，但是二者相比风冷式的占地面积要比前两者都小，同时重量比较轻，而且在有多组散热单元的情况下，风冷式的散热集成度要比其他的高，结构上也更为紧凑。
2.5制造成本
海上应用环境本身的特殊性對于散热器的防腐蚀性要求也相对较高，所以要采用能够满足防腐要求的材料来制作散热器，因此成本上与在陆地上使用相比相对较高。但是在相同的海洋环境当中使用，因为板式换热器主要是用耐腐蚀性强的金属板材制成，所以原材料的价格要比相同材质的管材要低，而且在制造过程中是通过冲压成型，用到的机械加工比较少，而且零件的通用性也比管壳式的多，所以很大程度上降低了成本；此外因为板式换热器的表面是通过转化膜处理的，能够抵制各种介质的腐蚀，尤其是氯离子，因此与管式热交换器相比，使用寿命能够达到其2～3倍。与前两者相比风冷式散热器结构比较简单，而且用的都是全铝式或者是全铜式的耐腐蚀性强的材料来制作散热器的结构，加工工艺比较简单，环节也少，所以成本的经济优势十分突出。
2.6工作压力和温度
换热器本身的耐压和耐热能力取决于材料的质量与结构。通常是在壳体的两端用垫片密封，因此对垫片的压紧力比较大，能够与较宽的温度与压力相适应。而板式换热器是用垫片进行密封，密封的周边比较长，但是因为板片本身比较薄、刚性差，所以无法给垫片足够的压紧力，因而其耐压性比较差，通常压力在1MPa以下，如果安装过程中稍微有疏忽，就有可能导致泄漏，而垫片的质量影响板式换热器的工作温度。
三、结束语
海上冷却系统因为其工作环境与空间的特殊性，所以设计的过程中需要充分的考虑多方面的因素，对冷却效率与占地面积、重量以及工作压力噪声等方面进行综合考虑，进而有效的对其进行利用，推动冷却系统在船舶与海洋工程中的应用与发展。
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（作者单位：江苏扬子江船业集团公司）