發電機熱交換器冷卻是一種液-液冷卻方式，它將引擎的熱量傳遞到一個獨立的水循環迴路中，而不是排放到空氣中。殼管式熱交換器取代了散熱器和風扇，因此引擎缸套水將熱量傳遞給第二個水源：市政用水、冷卻塔循環水、建築物的冷凍水或海水。兩種流體永遠不會混合。當發電機無法與外界空氣連結時，例如位於地下室的機房或船舶裝置中，就會使用這種方式。
大多數指南都會忽略這一點：熱交換器不會散發熱量，而是轉移熱量。
散熱器的散熱工作止於風扇，熱度散失殆盡。而熱交換器的散熱工作止於聯軸器，之後的熱量便進入了其他系統的循環迴路。迴路本身就存在水質、水泵、結垢和凍結風險等問題。選擇發電機熱交換器冷卻系統並非購買一個組件，而是意味著接受第二個冷卻迴路的所有權。
需要澄清一點，因為這個術語容易引起歧義。本文討論的是柴油或燃氣發電機組的引擎缸套水冷。另一種名稱相似的裝置用於冷卻大型電廠發電機組的交流發電機繞組，而備用發電機組所使用的則並非這種裝置。我們在山東華力公司將這些配置應用於大型室內和船用機組，因此以下規則均來自發動機文件和我們自身的安裝經驗。
關鍵要點
- 發電機熱交換器是一種液-液裝置，它將冷卻水的熱量轉移到單獨的迴路。兩種流體永不混合。
- It 搬遷 加熱而不是去除熱量，因此次級循環的泵、水質和污垢都成為你所擁有的東西的一部分。
- 判決規則是頭部規則。超過 動態 揚程限制和增壓幫浦就足夠了。超過這個限制… 靜止 水頭受到限制，散熱器和發電機必須隔離，而這正是熱交換器的作用。
- 引擎側由乙二醇保護，但是 原水側無法防止結凍因此，對於寒冷氣候下的閒置待機設備來說，這不太合適。本地法規也可能有問題。 限制城市或池塘水冷卻 用於應急備用裝置。
發電機熱交換器冷卻的功能（以及不具備的作用）
管殼式熱交換器主要由四個部分組成：外殼是圓柱體，管束位於外殼內部，管板則用於固定管束並分隔兩種流體。擋板迫使殼側流體橫向流過管束，而不是直接流過，增加湍流並提高傳熱效率。
引擎冷卻液在一側流動，原水或二次冷卻水在另一側流動。熱量透過管壁傳遞，兩種流體互不接觸。原水中含有會形成水垢的礦物質、氯化物和懸浮固體，這些物質會損壞引擎的冷卻通道，因此熱交換器既是熱傳遞通道，也是一道屏障。
發電機熱交換器是大型發電機冷卻系統內部的配置，它與散熱器共用同一個閉式循環迴路。迴路本身保持不變：水泵、引擎缸體和缸蓋、恆溫器，然後返回水泵。有關各部件的詳細工作原理，請參閱我們的發電機冷卻系統工作原理指南。
它並非兩樣東西。首先，它並非傳統意義上的冷卻器，因為它不會使任何東西變冷，而是將熱量傳遞給二次冷卻水。其次，它也不能取代通風系統。科勒關於遠端冷卻設計的工程白皮書對此直言不諱：遠端冷卻系統所需的空氣流量較少，但仍需足夠的空氣流量來清除輻射熱並提供燃燒空氣。
散熱器冷卻與熱交換器冷卻：決策規則
大多數關於散熱器和熱交換器冷卻方式的比較都含糊不清，只是籠統地說熱交換器是「在散熱器無法工作時」使用的，僅此而已。其實有一個明確的規則，那就是根據兩種類型的冷卻頭來判斷。
靜壓頭是指冷卻系統中沒有冷卻液流動時的壓力。它由一個因素決定：散熱器比引擎高多少。如果靜壓頭超過引擎的設計值，結果並非性能逐漸下降，而是墊片和密封件過早失效，因為壓力會擠壓那些它們原本無法承受的部件。
動態水頭是指冷卻液流動時冷卻系統的總阻力，它由流量、管道尺寸和散熱器上的壓力降決定。與靜態水頭不同，動態水頭有時可以透過使用更大尺寸的管道來降低。
這條規則就此清楚地顯現出來：
- 如果只有動態水頭超過限制增壓幫浦可以克服額外的阻力。散熱器可以保留。
- 如果靜壓超過限制散熱器和發電機必須彼此隔離。這種隔離通常是透過熱交換器實現的。
因此，熱交換器並非解決冷卻系統問題的通用升級方案。它只針對一個特定問題：散熱器位置過高，而任何水泵都無法解決靜壓問題。丹尼爾·奧卡福在拉各斯一家酒店地下室調試一台1,000千瓦的機組時，就為此付出了慘痛的代價。散熱器位於引擎上方九公尺處，導致機組過熱。現場人員最初以為是機組功率不足，但後來發現靜壓超過了引擎的額定極限，因此冷卻液始終無法正常循環。
如果場地有室外空氣可用，但散熱器必須放置在一定距離之外，那就需要另行考慮了。我們的遠端散熱器發電機指南涵蓋了距離限制、水泵選型和管道鋪設等方面的內容。
| 因子 | 單元式或遠端散熱器 | 熱交換器 |
|---|---|---|
| 什麼帶走了熱量 | 空運 | 第二個水迴路 |
| 需要房間通風 | 安裝式設備需高一些，遙控器需低一些。 | 低，但仍需要輻射空氣和燃燒空氣。 |
| 外部供水 | 不需要 | 必需且持續 |
| 室內或地下室適用 | 較差至中等 | 固德 |
| 海軍陸戰隊裝備 | 差 | 優 |
| Noise | 風扇噪音明顯 | 房間裡非常安靜。 |
| 凍害風險 | 僅限冷卻液側，乙二醇保護 | 次級側不能用乙二醇保護 |
| 新增維護 | 皮帶、鰭片、風扇 | 水化學、濾網、鋅塊、葉輪、結垢 |
| 新增設備 | 無 | 輔助幫浦、過濾器、控制裝置 |
| 相對成本 | 降低 | 較高，通常僅在必要時使用 |
第二迴路散熱的路徑：四個散熱器
熱交換器只是系統的一半。另一半是吸收熱量的零件，而這項選擇決定了專案的大部分風險。
從理論上講，只要供水持續穩定，並滿足熱交換器的流量、溫度和壓力要求，使用市政自來水是最簡單的方案。問題不在於技術層面。科勒的白皮書明確指出，地方法規可能禁止或限制緊急備用發電機使用市政或池塘水冷卻系統。最有可能考慮使用市政自來水的應用，恰恰也是最有可能被禁止使用市政自來水的應用。因此，務必事先諮詢相關主管機關。
冷卻水塔不能直接與引擎連接。引擎缸套系統是一個封閉的加壓迴路，內部使用處理過的水和乙二醇；而冷卻水塔是一個開式迴路，內部有其自身的化學成分和蒸發損失。如果將兩者連接起來，會污染引擎迴路並破壞乙二醇的濃度，因此兩者之間需要透過熱交換器隔開。冷卻水塔造價昂貴且佔用空間，因此只有在現有冷卻系統的情況下才有意義。
建築冷水系統是城市安裝的理想解決方案。對於已配備冷水系統的建築，發電機可以透過中間迴路將冷氣排入冷水系統，從而將室內通風量減少到僅滿足燃燒空氣和輻射熱實際需求的水平。建築機械團隊需要在設計階段（而非調試階段）就同意承擔這部分負荷。在專案初期進行發電機組通風需求評估，可以幫助您了解實際節省了多少風量。
龍骨冷卻和船體表面冷卻是船舶領域特有的冷卻方式，兩者截然不同。龍骨冷卻器是一種安裝在水下船體的外置熱交換器。引擎水泵驅動冷卻水循環通過龍骨冷卻器，海水吸收熱量。由於海水不會進入船舶的冷卻系統，因此不存在葉輪故障、濾網堵塞或鋅消耗的問題。對於發電機組而言，有兩條規則至關重要：發電機組的龍骨冷卻器尺寸必須大於推進引擎的龍骨冷卻器，因為發電機在船舶靜止時通常處於滿載運轉狀態；此外，龍骨冷卻器絕不能與其他引擎共用。
| 散熱器 | 決定它的約束條件 | 凍害風險 | 誰負責維護它 |
|---|---|---|---|
| 城市/市政用水 | 代碼許可，以及持續供應 | 低，如果排水。 | 場地設施 |
| 冷卻塔 | 空間、成本，通常只有在現有方案存在的情況下才適用。 | 中開環 | 場地設施 |
| 建築冷水 | 機械團隊協議，負載能力 | 低，閉環 | 樓宇運營商 |
| 龍骨/船體冷卻 | 僅限船用，必須尺寸超大且隔離。 | 低，海況中等 | 船員 |
發電機熱交換器尺寸決定：水側參數
發電機熱交換器冷卻的具體尺寸確定是關鍵所在，也是大多數已發布的指南止步之處。這些數據來自卡特彼勒的船舶應用和安裝指南，這是少數幾份將冷卻水側視為工程問題而非管道安裝的附屬文件的資料之一。
缸套水目標。在引擎最大散熱時，保持溫差低於約 8.3 °C (15 °F) ，並保持恆溫器設置，使冷卻液以大約79 °C (175 °F) 的溫度返回引擎。
留出餘量。熱交換器尺寸應比表格中的數值高出約 10% ，以應對正常變化和瞬時過載。
流量。關係式為gpm = Q ÷ (500 × ΔT)，其中 Q 為每小時向夾套水排放的熱量（單位為 BTU），ΔT 為允許的水溫升高值（單位為 °F）。
原水出口。離開熱交換器的水溫不應超過約140 °F (60 °C)，這決定了可用的溫差 (ΔT)，因為進水溫度取決於現場供水溫度。例如，一台每分鐘排熱量為 19,200 BTU、進水溫度為 80 °F 且水溫限制在 140 °F 的熱交換器，大約需要 40 gpm 的流量。
將原水引入管束中。卡特彼勒的指導文件明確指出這一點，原因在於維護，而非熱力學。管束可以透過將金屬桿推入管內進行清洗；而殼程則無法清洗，因為它需要化學清洗，而對於海上裝置而言，這種清洗只能在岸上進行。反方向輸送的熱交換器則無法在現場進行清洗。
注意觀察流速和壓力降。在單程熱交換器中，冷水應與夾套冷卻液反向流動，以最大程度地提高溫差。管內流速應低於 183 公分/秒 (6 英尺/秒)，超過此值，腐蝕將成為嚴重的失效模式；殼側壓降必須控制在發動機淡水泵的輸送能力範圍內。將熱交換器安裝在膨脹水箱下方。
阿倫·帕特爾在孟加拉的一條河邊管理一家工廠。他的設備是根據表格中列出的散熱量進行設計的，沒有預留任何餘量，而且由於管道恰好只能穿過殼體，所以原水直接通過管道輸送。兩年後的夏天，這套設備在高負荷運轉時出現了降額：河水在無法觸及的地方形成了水垢。
發電機的散熱計算應根據實際熱負荷進行，而非僅憑經驗法則。本節內容是基於我們對發電機散熱計算的詳細分析。
凍結問題
這是大多數計畫發現搬遷後為時已晚所帶來的後果。
引擎側受到保護。 50/50 的乙二醇混合物可將冷卻液保護至約 -37 °C，其保持這種低溫的化學原理在我們的柴油發電機冷卻液防凍劑指南中有詳細介紹。
二級迴路沒有任何保護措施。原水的冰點與水的冰點相同。雖然可以在封閉的二級迴路中添加乙二醇，但這相當於建構了第二個封閉迴路，並繼承了其原有的化學成分。問題只是轉移了，並沒有解決。
因此，發電機熱交換器冷卻並不適用於在嚴寒冬季閒置的備用發電機，而這正是備用發電機最需要發揮作用的時候。每次運行後排空輔助迴路可以解決這個問題，但這與備用機組存在的根本目的相反。
水質和第二迴路的維護
這是散熱器從未要求你做的保養工作，它完全屬於輔助系統（引擎側）的範疇。引擎側的保養計劃是另一回事，請參閱我們的冷卻系統保養指南。
水化學狀況決定設備的使用壽命，要嘛長達十五年，要嘛三年就失效。發動機側淡水必須滿足特定規格才能添加任何抑制劑。卡特彼勒的限值很有代表性：pH 值介於 5.5 和 9.0 之間，氯化物低於 40 ppm，總溶解固體低於 340 ppm，硫酸鹽低於 100 ppm，硬度低於 170 ppm。自來水通常無法滿足其中幾項要求。海水側組件應採用銅鎳合金，因為標準鋼管束無法承受海水腐蝕，在異種金屬與海水接觸的地方必須使用犧牲陽極。水垢是另一個威脅：溶解的礦物質會沉澱在高溫表面上並起到隔熱作用，相關指南指出，一旦形成大量水垢，傳熱損失將高達40%左右。水垢是導致原本尺寸合適的熱交換器性能下降的最常見原因。
鋅塞，也稱犧牲陽極。卡特彼勒的檢查計畫是一個合理的模板：在管道注滿海水後24小時內檢查一次，浸泡7天後再次檢查，然後每60至90天檢查一次，之後每年檢查一次。有一個細節容易讓人忽略：切勿使用聚四氟乙烯膠帶或非導電管道密封劑安裝鋅塞，因為密封劑的絕緣性能會阻礙鋅塞發揮其作用。
過濾器。這些過濾器可以保護水泵、熱交換器和引擎的通道免受雜物堵塞。任何大於1.6 毫米（1/16 英吋）的顆粒都不能通過過濾網。板式熱交換器需要網孔小於3 毫米的濾網；管式熱交換器需要網孔小於5 毫米的濾網。尺寸合適的過濾器在滿流量下產生的阻力不應超過約9 千帕（3 英尺水柱） 。盡可能使用雙聯過濾器，這樣清洗時就不會中斷海水流動。
熱交換器清洗。對於船用機組，Northern Lights 建議每年或大約運行 200 小時後清洗一次熱交換器芯體，以先到者為準。清洗步驟包括：排空膨脹水箱和熱交換器，取出芯體，用通條清潔管道，沖洗，檢查，重新組裝，並檢查是否有洩漏。
原廠水泵葉輪。這種易損件會毫無預警地發生故障。 Northern Lights公司規定，某型號海水幫浦每運轉1,000小時更換一次葉輪，另一型號則每運轉750小時更換一次。如果更換的葉輪葉片缺失，碎片會掉落在下游某處，因此，如果在更換葉輪後再次出現流量損失故障，則很可能是熱交換器芯堵塞。在第一次結冰之前，請務必排空熱交換器和所有原水通道中的水。
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發電機熱交換器冷卻何時成為錯誤答案
在以下五種情況下，發電機熱交換器冷卻是錯誤的選擇：
- 該站點位於氣候嚴寒地區，是一個閒置的備用站點。 上述凍結不對稱性是取消資格的。
- 城市自來水僅供緊急備用，並受相關法規限制。 如果市政供水中斷，最便宜的選擇也就消失了。
- 房間可以安裝遠端散熱器。 遠端散熱器無需第二個迴路、無需水質化學處理、無需過濾器、也無需鋅塊。我們的遠端散熱器指南涵蓋了這方面的選擇。
- 沒有可靠的供水。 該系統依賴持續供水，而遠端散熱器則不需要。間歇性供水比完全沒有供水更糟糕，因為它會在悄無聲息中失效。
- 該引擎採用空對空增壓空氣冷卻。 如果增壓空氣迴路無法通過管道連接而不損失瞬態響應或危及排放認證，則該配置方案不可行。
常見問題
散熱器冷卻和熱交換器冷卻有什麼不同？
散熱器利用風扇和翅片式散熱芯將引擎產生的熱量散發到空氣中。熱交換器則透過殼管式或板式裝置將同樣的熱量傳遞給第二個水循環迴路，無需風扇。散熱器價格更低，但需要空氣流通；熱交換器噪音更低，適用於室內和船舶環境，但需要持續供水。
發電機何時應該使用熱交換器而不是散熱器？
這條規則與揚程有關。如果只有動態揚程超過引擎的極限，增壓幫浦就能解決問題，散熱器也不需要更換。如果靜態揚程超過極限，表示散熱器距離引擎過高，則必須將兩者隔離，通常使用熱交換器來實現這種隔離。
發電機可以使用城市自來水進行冷卻嗎？
理論上可以，前提是供水持續不斷，並且滿足熱交換器的流量、溫度和壓力要求。但實際上，由於緊急備用發電機組可能連續運轉數小時並持續排放水，當地法規可能會限製或禁止使用市政或池塘水進行冷卻。因此，請務必事先諮詢相關主管機關。
如何確定發電機熱交換器的尺寸？
在最大散熱量下，保持夾套水溫差低於約 8.3 °C (15 °F)，並以比表格所示散熱量高約 10% 的水平進行尺寸設計。流量計算公式為：gpm = Q ÷ (500 × ΔT)。保持離開熱交換器的原水溫度低於約 140 °F (60 °C)，並將管內流速保持在 183 cm/s (6 fps) 以下，以避免侵蝕。
結語
四個決定因素決定了發電機熱交換器冷卻是成功還是會造成維護負擔。
根據揚程規則做出決定。靜揚程過高需隔離，隔離後需安裝熱交換器。動揚程過高需要安裝增壓幫浦。如果順序顛倒，會浪費一次調試機會。
尺寸以水側為準，而非產品目錄上的尺寸。夾套水溫差低於 15°F，散熱量比表格資料高出 10%，原水出口溫度低於 60°C，管內流速低於 6 英尺/秒，且原水能夠順利流經管道，以便進行清洗。
選擇散熱器時，應考慮其適用範圍，而非成本。市政用水雖然最便宜，但除非法規另有規定。冷卻水塔需要空間。龍骨冷卻器必須尺寸更大，且絕對不能與其他設備共用。
在擁有第二套循環系統之前就應該先做好規劃。水質化學、過濾器、鋅塊、葉輪備件以及防凍措施都不是事後才考慮的，而是這套系統配置的成本所在。
散熱器將熱量散發到空氣中，工作就完成了。熱交換器則將熱量轉移到您現在擁有的循環系統中。兩者在合適的場地都適用，而差異早在訂購設備之前就已經確定了。聯絡我們的工程團隊 →
