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空冷器工艺设计 V 摘 要 空冷器在化工生产中占有非常重要的比重 国内外都有对空冷器的工艺设计 有着系统的研究 我国对于空冷器的研究起步较晚 随着近几年来空冷器在化工 机械领域的作用愈来愈明显 另外 科学与节能是密不可分的 空冷器的发展 既是节水 保护环境的要求 也是节能的要求 所以 空冷器的发展越来越受到 人们的重视 本论文参照日本空冷器的设计理念 以内蒙古准格尔旗大路新区当 地的气候条件作为数据来源 参照当地现场风速 气温以及四季天气变化情况的 理论分析 然后根据工艺要求 场地情况 环境温度变化资料和环保等要求 确 定总体方案 选择水冷或空冷 选定空冷器型式及其组合方式 自行研发设计的 一套空冷装置 通过对热负荷的计算 传热系数的计算和管排数的选取等 该装 置基本满足当地所需空冷效果 关键词 空冷器 节能 化工生产 空冷器工艺设计 VI Abstract The cooler plays a very important proportion in the chemical industry both the internal and external have a system research in the process of cooler designed Our research for the cooler is late at the beginning With the role cooler plays become more and more obvious in the chemical industry the recent years what s more as we all know the science and the energy conservation are inextricably linked The development of cooler technology is the requirements of water saving the environment protection and the energy saving So the people have paid more attention to the development of the air cooler In the article the design of Japanese air cooler is referred with the weather data provided by the Inner Mongolia ZhunGeEr New Local and the theoretical analysis for changes of the local on site wind speed air temperature and seasonal weather is referred According to the technical requirements site conditions environmental temperature and the environmental protection requirements of data to determine the overall program By this water cooling air cooling or the combination type of the air cooler will be selected The air cooler is researched and designed all by my own By the calculation of heat load the calculation of heat transfer coefficient and the selection of the number of tube rows the device can basically meet the effect of local air cooling Key words air cooler energy saving chemical industry 空冷器工艺设计 VII 目 录 第一章 前 言 1 1 1 研究背景与意义 1 1 2 国内外对空冷器研究现状 1 1 2 1 国内空冷器的生产情况 2 1 2 2 世界空冷技术的发展情况 2 1 2 3 中国空冷技术的发展概况 3 1 3 本次设计拟解决的问题 3 第二章 空冷器的种类与结构 5 2 1 空气冷却器的种类 5 2 2 空气冷却器的结构 9 第三章 对于空冷器的理论分析 11 3 1 空冷器与水冷器的优缺点比较 11 3 2 采用空冷器的条件 12 3 3 空冷器的完善措施 13 3 4 空冷器的选型 13 3 4 1 空冷器选型 13 3 4 2 空冷器风机选型 13 3 4 3 常用翅片管型式及其应用 14 第四章 空冷器的设计步骤 16 4 1 设计方案 16 4 2 设计条件及基本参数 17 4 2 1 设计气温 17 4 2 2 管内流体温度 17 4 2 3 管排数 18 4 2 4 迎风面空气流速 18 4 3 公司提供的设计现场条件 20 4 3 1 地理位置 地形 地貌和地质条件 20 空冷器工艺设计 VIII 4 3 2 自然环境概况 22 4 3 3 建设地区气象条件 23 4 4 设计计算 26 4 4 1 零件选型 26 4 4 2 计算过程 27 第五章 设计成果及展望 56 5 1 设计成果 56 5 2 对空冷器设计研究的展望 56 参 考 文 献 57 致 谢 59 附 录 60 声 明 65 空冷器工艺设计 1 第一章 前 言 1 1 研究背景与意义 空气冷却器是以环境空气作为冷却介质 对管内高温流体进行冷却或冷凝的 设备 简称空冷器 水作为理想的冷却介质 被传统工业冷却系统长期广泛的使用 但随着水资 源和能源的匮乏以及环保意识的增强 节水 节能 无污染的空冷器在近 40 多年 来得到迅速发展 1 空冷器最早出现在炼油工业 从冷却轻油到渣油 从正压到负压系统 从寒 冷地区到炎热地区 从缺水地区到水源充足区域都有成功使用空冷器的实例 有 些炼油厂甚至全部使用空冷器 在动力工业中 直接空冷和间接空冷用于火力发 电厂汽轮机排气的冷凝 节水可达 90 以上 在冶金工业中 高炉 平炉 金属 炉循环水的空气冷却技术也比较成熟 此外 在原子能工业 燃气透平和空气透 平冷却系统等 空冷器也有较多的应用 2 因此 在工业制造生产中 空冷器会 得到越来越广泛的应用 空冷器的使用对水源没有限制 对厂址的选择要求较低 另外 对于干旱缺 水地区来说 空冷器相对于常规的水冷器更具备现实意义 解决了由于工业发展 带来的供水不足的问题 空气可以随意取用 不会产生环境污染问题 总的来说 空冷器可以更好的帮助企业节约生产成本 产生更好的经济效益 空气冷却器已 经成功的 经济的运用于蒸汽 高沸点有机物蒸汽及石油蒸馏的蒸汽 汽油 液 氨等的冷凝以及压缩机 夹套水等循环系统 石油蒸馏 油品等液体的冷却 3 由此可见 对空冷器的设计研究具有非常重要的意义 1 2 国内外对空冷器研究现状 自 20 世纪 30 年代空气冷却器投入工业使用以来 在石油化工等工业企业迅 速发展 目前采用空冷器进行介质冷却的炼油厂在不断增加 国外新建炼油厂都 有扩大使用空气冷却器的趋势 在化工企业 合成氨 合成甲醇 氯化物 聚氯 乙烯及单体氯乙烯等生产工艺过程都有采用空气冷却的实例 随着设计和制造技 空冷器工艺设计 2 术的进步 高压高效空冷器得到越来越广泛的应用 4 我国生产和应用空气冷却器 简称空冷器 虽然起步较晚 但也已有 30 多 年历史 在这期间经历了产品形式单一 零部件结构简单 热工性能较差以及风机 能耗大 噪声高和风量不能调节等落后阶段 近几年以来 空冷技术及其产品的设 计 制造和质最监控都有了迅速发展 品种规格增加 应用范围扩大 已由炼油 扩大到化工 冶金和电力等部门 现在除少数特殊高压空冷设备需引进外 其余 均可满足需要 5 1 2 1 国内空冷器的生产情况 高压高效空冷器是石化装备中技术含量较高的容器 只有 A3 级空冷式换热 器注册资质的企业才可以生产 截止 2009 年已注册空冷式换热器企业共有 14 家 其中有 10 家获得 A3 级空冷式换热器注册资质 哈空调作为行业龙头企业 主要生产以高压空冷器为代表的高压 耐腐蚀 冷却剧毒介质用石化空冷器 与 德国 GEA 和美国 SPX 基本处于同一技术水平 市场占有率达 50 竞争优势 明显 随后几家是兰州长征机械有限公司和甘肃蓝科石化设备有限责任公司 兰 州长征机械有限公司的复合板空冷器及耐腐蚀空冷器管束分别获得国家专利 蓝 科公司拥有专利产品 双金属复合波纹翅片管 新型空冷器矩形管箱 板式空冷 器 表面蒸发式空冷器 喷淋蒸发型冷却器等专利技术 6 1 2 2 世界空冷技术的发展情况 煤炭是许多国家发展电力的主要一次能源 但煤电的发展同时还受到了水资 源的制约 1939 年德国首先采用了直接空冷系统 50 年代匈牙利发展了混合式凝 汽器的间接空冷系统即海勒系统 而后在 70 年代 带表面式凝汽器的间接空冷系 统和直接空冷系统也得到较大发展 近十多年来 电站空冷技术在国外得到迅速 发展并日趋成熟 德国 匈牙利 美国 酉班牙 前苏联 南非等国家和地区已 建成一批空冷电站 运行情况良好 由于直接空冷系统结构比较简单 所需空冷元 件比较少 投资较低等特点 因而直接空冷电站在国外近期发展中占有较大比重 1978 年美国怀俄达克电厂的 360mw 直接空冷机组投入运行 年后 在南非的马尤 巴电厂先后又投入了 2025mw 的直接空冷机组 目前 世界上采用直接空冷系统 已经运行的容量最大的空冷电站 是1987年德国为南非设计的3990mw马丁巴空 空冷器工艺设计 3 冷电站 采用带表面式凝汽器间接空冷系统已经运行的容量最大的空冷电站也在 南非 其容量为 4116mw 的肯达尔空冷电厂 世界上现在采用的空冷电厂的总装机容量已经达到 17500mw 据统计 1962 年到 1994 年已经建成和正在建成的 100mw 上的空冷机组约有 50 台 共有 16837mw 其中 海勒式间接空冷器约占 26 用表面式凝汽器的间接空冷约占 32 而后来居上的直接空冷的约占 42 空冷电厂能节省大量工业用水 但是投资也有较大的增加 因而近年来国外 还开展了相变空冷系统与塑料导热翅片管等新技术 新材料的研究 1986 年美国 将氨相变空冷作为电力工业的重大研究课题 一台 10mw 的试验机已经于 1979 年投入运行 由于它密度小 不腐蚀 节省金属等优点 也受到各国重视 80 年 代初 意大利就已经建成一座 30mw 的塑料散热元件的试验电站 中国学者也在 开展这方面的研究 因此现空冷技术在国际上基本上是一项成熟的技术 1 2 3 中国空冷技术的发展概况 60 年代中期 中国在哈尔滨工业大学试验电站首次进行 50kw 机组直接空冷 系统的试验 直到 80 年代中期 中国还只是进行了一些小型试验 1987 年 1988 年山西大同第二发电厂 400mw 机组引进了匈牙利海勒式间接空冷系统的全套设 备和技术 使中国空冷发电技术进入一个新的阶段 在此基础上 90 年代初 丰 镇电厂 400mw 国产海勒式间接空冷机组 在次年第四台也投入使用 太原第二热 电厂 400mw 表面式凝汽器间接空冷机组相继投入使用 这两个空冷电厂的建成使 用 标志着中国在建设空冷电厂的国产化程度已经大大提高 也为我国今后 600mw 级空冷机组的建立奠定了基础 我国在建设空冷电厂的同时也相应开展了 空冷技术的实验研究工作 取得了一些科研成果和宝贵经验 这对中国空冷技术 的提高和发展具有重要作用 7 1 3 本次设计拟解决的问题 通过对现场风速 气温以及四季天气变化情况的理论分析 自行设计一套空 气制冷器装置 空冷器的结构设计包括总体方案确定 选型及估算和详算三个步 骤 期间需要反复试差和修改方案 首先需要根据工艺要求 场地情况 环境温 度变化资料和环保等要求 确定总体方案 选择水冷或空冷 选定空冷器型式及 空冷器工艺设计 4 其组合方式 估算与详算内容大致包括 计算热负荷 总传热系数 选取翅片管 形式 管束布置尺寸 选取管程数及适宜管排数 试差求空冷器出口气温及所需 的光管面积 等等 利用 AutoCAD 软件绘制空冷器结构图及主要部件详图等 完成设备数据表 空冷器工艺设计 5 第二章 空冷器的种类与结构 2 1 空气冷却器的种类 1 防冲蚀管箱结构 在高压空冷器中 解决空冷器冲刷腐蚀泄漏问题 是技术难题题 其措施之 一是采用设置分配孔板 具体结构见图 2 1 8 图 2 1 高压空冷管箱 在图 2 1 中 分配孔板四周与管箱固定 孔板上有大量筛孔 孔板将管箱分 为上 下 2 层 在分配孔板上部形成 1 个新增加的入口缓冲区 能减少和消除管 箱内局部涡流 改善介质进入换热管的均匀性 延长了碳钢空冷器管束的使用寿 命 2 新型密封结构 9 在高压空冷器中 解决空冷器管箱密封问题 是另 1 个值得研究的问题 其 措施之一是设计新型密封结构 见图 2 2 空冷器工艺设计 6 图 2 2 高压空冷器管箱密封结构 管箱板中设置有工艺孔 工艺孔的外段内设置有螺纹 内段内设置有圆锥状 台阶 丝堵设置在工艺孔的外段内 并通过螺纹与工艺孔连接 丝堵的前端设置 有 1 个圆锥状的垫片 垫片的圆锥面与管箱板的圆锥状台阶的圆锥面配合 将平 面密封结构改为了 2 个锥面的线密封 故需很小的螺栓预紧力就可满足密封要 求 且介质无法与螺纹接触 不会产生螺纹咬死现象 3 高效空冷器的结构 9 套管式空气冷却器 适用于电子 化工 冶金等行业 见图 2 3 图 2 3 套管式空气冷却器 图 2 3 中 散热管为管套式结构 其外部套管是翅片管 内部为螺纹管 螺 纹管采用不锈钢材料 外表面涂有钛层 翅片管经翅片管管板固定 螺纹管经螺 纹管管板相固定 在工作时 冷却介质从入口进入翅片管管板与螺纹管管板间的 腔体 由翅片管内壁与螺纹管外壁间的冷却通道动态流通后 通过另 1 侧翅片管 空冷器工艺设计 7 管板与螺纹管管板之间 的腔体由出口排出 并通过纵向引风 将设备底部的冷 空气引入螺纹管中 使其与冷却通道中的冷却介质进行热交换 从而增加了系统 的热交换效率 10 2 双金属复合波纹翅片管 由基管和套管组成 见图 2 4 图 2 4 双金属复合波纹翅片管 基管的内 外壁制有规整的凸 凹波纹 套管的内径有相应的凸凹波纹与基 管的外径波纹相匹配 套管的外径制有规整的径向翅片 成螺旋状 基管与套管 的材质匹配可以是钢 铝 铜 铝 钢 铜 该结构增加了翅片与基管接触的紧密度 基管内侧的波纹可有效破坏管内介质流动时的层流区 在流速不高的情况下即可 达到湍流 提高了传热系数 与同种规格材料的 DR 型翅片管相比 传热系数可 提高 20 以上 允许使用温度可提高 30 11 镶嵌型双金属扎制高效翅片管 结构示意见图 2 5 空冷器工艺设计 8 图 2 5 镶嵌式双金属扎制高效翅片管 图 2 6 中 循环泵将水箱里的循环冷却水送到水平放置的光管管束上方的喷 淋管 经喷嘴将冷却水喷淋至光管管束上 在管子外表面形成连续的水膜 同时 风机由下部的空气入口吸入空气 使空气由下向上运动 横掠光管管束 管子外 表面的水膜迅速蒸发 加强了管外传热 图 2 6 表面蒸发式空冷器 空冷器工艺设计 9 该结构的空冷器的缺点是 易结垢 碳钢浸入水中后 铁素体和渗碳体之间 产生了电位差 自由电子可以从阳极铁素体自由地流到渗碳体上 水中的溶解氧 能在渗碳体的表面吸收铁腐蚀时释放的电子 从而使腐蚀过程连续进行 由于冷 却水中溶解氧的浓度差异而引起电位差所产生的腐蚀 是最普遍 危害大而且难 防止的腐蚀方式 12 2 2 空气冷却器的结构 空气冷却器主要包括管束 构架 风机等基本部件 被冷却介质走管内 空 气走管外 通过翅片管进行热交换 空气冷却器基本部件主要有以下几个部件组 成 1 管束 管束包括翅片管 管箱 侧梁及支持附件等部件 管束是空难过期冷却器的 传热部件 翅片管由翅片和管基组成 是空气冷却器传热的核心元件 由于空气 的膜放热系数很低 需要在传热管外表面增加翅片来强化其传热 管箱将单根的 翅片管组合成一个集合体 并用来分配和导向流体 每片管束至少有两个管箱 根据结构不同 可分为丝堵式管箱 分解式管箱集合式管箱 可拆盖板式管箱等 对于两管程以上的多管程管束 当流体进出口温差较大时 各管程之间的管壁温 差及热膨胀差也很大 常引起翅片管的弯曲变形 造成翅片松脱 影响传热效果 甚至因温差应力太大 拉脱传热管与管板之间的胀口 焊缝 因此 当同一管箱 流体进出口温差大于规定值 应采用分解管箱或者 u 型管结构 侧梁及连接附件 用于支持 连接管束的各个部件 侧梁一般用钢板冷弯成型制成 刚度好 省料 也可以用大型型钢制造 但是目前已不多用 翅片管与管板的连接方法分强度胀 接 强度焊接和胀焊并用三种形式 2 风机 风机由叶片 电机 驱动机械及支持结构等组成 风机是空气冷却器的送风 机械 3 百叶窗 百叶窗包括窗叶 调节机构及百叶窗侧梁等部件 百叶窗用于调节空气冷却 器风量的大小 空冷器工艺设计 10 4 喷淋系统 喷淋系统包括分布管及雾化喷头等部件 喷淋系统用于湿式空气冷却器增湿 降温和强化传热 干式空气冷却器不设置喷淋系统部件 5 构架 构架包括风箱及导流筒等部件 构架是用于支撑管束 风机 百叶窗及附属 件的钢结构 6 附件 附件包括风箱 蒸汽盘管 梯子 平台等部件 风箱组装件用于导流空气 空冷器工艺设计 11 第三章 对于空冷器的理论分析 3 1 空冷器与水冷器的优缺点比较 空冷于水冷的优缺点比较见表 3 1 由表可见 在缺水地区 如沙漠地带 水供应困难 取水费用高的地区或水冷结垢和腐蚀严重的地区 特别适用采用空 冷器 但具体采用水冷还是空冷方案还应经过技术经济比较 空冷器的出现 在 很大程度上解决了由于工业迅速发展使工业用水大幅度增加而出现的供水不足的 问题 同时还减少了工业地区水的污染 使用空冷器 减少了补给水设施 水处 理 循环泵 管路 水池 凉水塔等通常水冷所需要的一些设施 从这一点也显 示出空冷器的优越性 13 表 3 1 空冷与水冷的优缺点比较 空冷 水冷 1 对环境没有热污染和化学污染 2 空气可随意取用 不需任何附属设备和费用 选厂址不受限制 这对无水和缺水地区尤为重要 3 空气腐蚀性小 不需要除垢和清洗 使用寿 命长 4 空气压降仅有 98 196pa 故空冷的操作费用 低 5 空冷系统的维护费用 一般情况下仅为水冷 的 20 30 6 一旦风机电源被切断 仍有 30 40 的自然 冷却能力 1 排放水对环境有热污染 也常有化学 污染 2 冷却水往往受水源限制 要设置管线 和泵站等设施 特别是对较大的厂 选厂址 时必须考虑有充足的水源 3 水腐蚀性强 也易于结垢 需要进行 处理 4 循环水压头高 取决于冷却器和冷水 塔的相对位置 故水冷的能耗较高 5 由于水冷设备多 易于结垢 在温暖 气候条件下易生成微生物 附于冷却器表面 常需停工清洗 6 电源一断 即要被迫全部停产 空冷器工艺设计 12 续表 3 1 1 空气比热小 仅为水的四分之一 故空气用 量大 2 冷却效果取决于干球温度 通常不能把流体 冷却到环境温度 在湿式空冷器中 还取决于空气 的湿球温度 3 大气温度波动大 风 雨 阳光 昼夜以及 季节变化 均会影响空冷器的性能 在冬季还可能 引起管内介质冻结 4 由于空气密度小 空气侧对流给热系数低 故空冷器的冷却面积要大得多 5 空冷器周围存在障碍或设计不当 会引起热 风循环 降低换热效率 6 通常要求用特殊工艺制造翅片管和风扇 对 压降有一定的限制 7 有一定的噪声 1 在相同热负荷和冷却介质温升条件 下 水用量小 2 水冷通常能使工艺流体冷却到低于空 气温度 2 3 以下 循环水在水塔中可被冷却 到接近环境湿球温度 3 水冷对环境温度变化并不敏感 操作 调节比较容易 4 水冷器结构紧凑 其冷却面积比空冷 器要小得多 5 水冷器可设置在其他设备之间 如管 线和楼板下面 6 用一般管式换热器即可满足要求 7 无噪音 3 2 采用空冷器的条件 一般的 在下述情况下 采用空冷器比较有利 14 1 热流体出口温度与空气进口温度之差 即接近温度 大于 15 2 热流体出口温度大于 50 60 其允许波动范围大于 3 5 3 空气设计进口温度低于 38 4 有效对数平均温差大于或等于 40 5 管内热流体的给热系数小于 2 2300 w m 6 热流体的凝固点低于 0 7 管测热流体的允许压降大于 10kpa 设计压强在 100kpa 以上 空冷器工艺设计 13 3 3 空冷器的完善措施 空冷器的不足 工业上常采取下列措施加以完善 15 1 空气侧采用各种扩展表面 翅片管 使传热面比光管提高 10 30 倍 特殊翅片还可提高给热系数 1 2 倍以上 2 采用风道上可调的百叶窗开度 可变的风扇叶片角和可调转速来改善空 冷器的调节和适应性能 3 采用加湿式空冷 干式空冷与湿式空冷的联合以及空冷与水冷的联合 使之分别在适当温度段运行 3 4 空冷器的选型 3 4 1 空冷器选型 工艺介质冷却温差大于 15 20 且介质出口温度高于环境温度时 用干空 冷经济 工艺介质温度高于 75 时 采用湿空冷易结垢 应采用干空冷 工艺介 质由 75 冷到比当地湿球温度高 5 6 时 采用蒸发空冷有利 13 管束布置形式 一般干空冷采用水平放置 干 湿联合空冷 采用斜顶式布 置管束 湿空冷 采用直立式放置管束 3 4 2 空冷器风机选型 空冷器风机有两种形式 鼓风式和引风式 14 1 鼓风式风机的传动机构和电动机易于检查 维护 适用于所有常用场合 2 介质出口温度和空气入口温差不小于 15 时 应选择鼓风式 当空气 出口温度高于引风式布置规定的极限温度时 必须选用鼓风式 3 介质出口温度与空气进口温度的差值小于 15 时 考虑采用引风式 以确保空气出口温度不会升至高于风机 风机轮毂 润滑系统轴承和所有暴露在 热空气中的结构元件可以承受的温度 4 引风式空冷器正常操作条件下 风机运行时 空气出口温度不得超过 60 无风机的自然通风空冷器 空气侧自然对流时 空气出口温度不超过 80 5 当可能出现热空气循环问题时 应采用引风式 当设计需要倾点保护或 防冻时 应采用鼓风式 空冷器工艺设计 14 3 4 3 常用翅片管型式及其应用 在空冷器中最主要部件之一是翅片管 在工程应用中最为常用的管型分为 7 种 其综合性能指标 相对值 见表 3 2 由表 3 2 可对常用空冷器管型性能进行全面的了解 除此之外 还有热浸镀 锌 镀铝翅片管 热浸镀锌 镀铝翅片管是在碳钢翅片和基管的外表面镀锌或镀 铝 使镀层与钢之间生成金属间化合物层 即合金层 合金层具有多层结构 在 大气环境中使用 使用寿命较长 合金层的硬度接近于纯铁 因而镀层抵抗碰撞 和刮损的能力很强 当镀锌层有小的裂纹或损坏时 锌将以牺牲阳极的方式继续 防止裂纹或损坏处的钢铁生锈 合金层含锌量最高可达 90 以上 这些措施可以 提高翅片管的使用性能 同时也增加了翅片与基管之间连接的致密程度 有利于 传热 16 表 3 2 翅片管特性比较 相对值 类型 单 L 型 双L 型 滚花 型 镶 嵌 型 轮辐型 双 金 属 轧片型 椭圆管 满 分 值 传热系数的维持能力 140 150 170 180 140 150 180 200 翅片上结垢的速度 45 45 45 45 20 40 40 50 翅片弯曲校正难易程度 40 40 40 40 20 30 30 50 翅片污垢影响性能参数 160 160 160 160 100 150 160 200 每 d 承受多于 2 次热循环能 力 60 70 70 90 70 80 90 100 抗铝和钢之间较小膨胀能力 20 30 45 45 30 40 50 50 翅片承重可能性 30 30 30 30 30 50 50 50 翅片尖端耐撕裂性 15 15 15 15 15 10 20 20 翅片尖端耐大气腐蚀力 40 40 40 40 30 30 40 50 基管耐大气腐蚀能力 80 75 90 70 80 85 90 100 翅片和管子之间接触力 15 25 40 40 15 30 45 50 坚固程度 30 30 30 30 25 40 50 50 空冷器工艺设计 15 续表 3 2 重量 7 8 7 8 7 9 10 10 相对价格 170 150 170 150 170 120 150 200 空冷器工艺设计 16 第四章 空冷器的设计步骤 4 1 设计方案 首先根据现场提供的有关设计参数 如现场四季风速情况 月最高气温 热 流体温度等 进行空冷器设计所需参数的计算 包括管排数 管程数 总传热系 数的确定 空冷器的工艺设计程序 根据目前设计情况 总结出以下设计程序 可供参考 1 根据具体条件 分析采用空冷器的技术经济性 2 计算热负荷 Q 3 选定设计气温 4 选取传热系数 0 u 5 选取管排数 6 选取标准迎面风速和面积比 0 F A A 7 试算出口空气温度并初定 0 A 8 选型 包括管束 管程 风机选型等 并核算迎面风速 出口风速等是否 需要调整 9 根据计算数据利用 AutoCAD 软件绘制空冷器结构图及主要部件详图 等 完成设备数据表 空冷器的工艺设计程序 根据目前设计情况 总结出以下设计程序 可供参考 管程数 Ni 的考虑 主要是先按前文所述的流速范围选取适当流速后 用 4 1 式计算 2 1 4 ii Nd nV Gw 4 1 式中 n 总管数目 V 流速 m s 选定管束管程后 应计算其压力降是否在允许范围内 空冷器工艺设计 17 风机的选型根据风量 风压 用风机特性曲线选取风机型式及风机叶片角度 风量可用式 4 2 计算 FNF GvA V 4 2 用式 4 3 计算 000 uAA 并使之与初定的 基本吻合 否则重算 21 2101 0 00102 2 TT ttt 4 3 4 2 设计条件及基本参数 4 2 1 设计气温 指设计空冷器时选用的当地空气入口干球温度 设计气温的选取有以下几种 方法 1 保证每年不超过五天的最高气温 即其出现时间约占全年时间的 1 3 2 按当地最热月的日最高气温的月平均值加 3 4 3 7 8 月的日最高气温的月平均值 并乘以 1 10 4 不超过一年的最热三个月中或最热月期间日平均气温 5 时间的温度 5 假定一设计气温 一年中仅有 2 5 时的温度超过该值 6 对高凝固点和搞粘度介质 采用年平均气温 可根据上述情况取上述方法之一 考虑到工艺和经济上的合理性及我国大多 数地区的气候条件 采用 1 较多 应参照各地具体气象资料确定 4 2 2 管内流体温度 1 入口温度 理论上热流入口温度愈高 采用空冷愈经济 但入口温度超过 200 时 应 考虑用其他换热器进行热量回收 目前使用的空冷器 其热流入口温度一般在 130 以下 入口温度若低于 70 可采用淋水结垢 2 出口温度 出口温度的选取直接影响空冷器经济性的重要指标 热流体出口温度与设计 气体温之差称为接近温差 或接近温度 一般条件下 对于干式空冷器接近温差 空冷器工艺设计 18 一般应大于 15 若热流体出口温度不能满足要求 则考虑采用湿式空冷器 一 般认为 热流体冷却至 75 选用干冷最为经济 热流体冷至 75 65 选用干 冷器或湿冷器均可 热流体冷至比湿球温度高 5 6 选用蒸发式湿空冷有利 4 2 3 管排数 管排数对于空冷器经济性的影响较大 从经济上考虑 一般希望空气温升 15 20 增加管排数 空气温升增加 但压降也增加 合理管排数的选择可参考 表 4 1 表 4 1 管排数选取表 类别 管排数 类别 管排数 类别 管排数 1 冷却过程 轻烃类 轻柴油 重柴油 润滑油 4 或 6 4 或 6 4 或 6 6 或 8 塔底油品 烟道气 气缸冷却水 2 冷凝过程 4 或 8 4 4 水蒸气 轻烃汽 重整或加氢反 应器出口气体 塔底冷却器 4 4 或 6 6 4 或 6 在实际设计中 管排数应灵活掌握 例如 当换热面积很小 可使用更少的 管排数 而为了降低制造费用和占地面积 则可使用更多的管排数 4 2 4 迎风面空气流速 以下简称迎面风速 它是空气状态为 20 101 3kpa 时 在迎风面处的流速 用 NF m u s 表示 NF m u s NF F V S 4 4 式中 NF V 20 101 3kpa 时空气流量 3 m s F S 管束迎风面积 2 m 迎风面风速低 传热效果差 否则空气压降大 能耗高 一般取在 1 4 3 4m s 之间 管排少时取上限 管排多是取下限 对鼓风式空冷器 推荐采用表二的值 对引风式 因风机抽出温度较高 从节约动力考虑 一般采用较低迎面风速 17 空冷器工艺设计 19 表 4 2 典型的迎面风速值 管排数 项目 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 F A S 高翅 1 2 2 2 m m 低翅 NF u 高翅 m s 低翅 高翅 湿式空冷 2 53 2 90 3 15 2 7 2 8 3 8 5 0 3 16 3 60 2 5 2 6 5 06 5 8 3 00 2 80 3 30 2 3 2 4 6 32 2 83 3 00 7 60 8 74 2 75 2 50 2 80 8 84 2 58 2 70 10 1 11 6 2 50 2 30 2 60 11 36 2 33 2 50 12 63 14 5 2 25 2 15 2 40 1 0 25dmm 圆翅片管 三角形排列 高翅 62 57 3 0 tff pmm dmm pmm 低翅54 50 tf pmm dmm 2 002 Ff Ad n Sp 光管表面积 迎风面积 1 高低翅片的选择 管内给热系数 2 2000 i w a m 时 可采用高翅片 2 11602000 i w a m 时 采 用 高 低 翅 片 均 可 2 1 1 01 1 6 0 i w a m 时 采 用 低 翅 片 2 110 i w a m 时 用光管 或在馆内采用强化措施 对高凝固点流体或寒冷 地区 为避免流体凝固或冻结 宜采用光管或低翅化比的翅片管 2 馆管程数的选择 主要取决于管程允许压降及热流体的压降范围 管程数增加 则管内流速增加 对冷却过程 管内流体流速在 0 5 1m s 气体质量流速在 5 10 2 kg ms 左右 对 冷凝过程或温差校正系数0 8 t F 时 应考虑采用双管程或多管程 18 空冷器工艺设计 20 4 3 公司提供的设计现场条件 4 3 1 地理位置 地形 地貌和地质条件 1 地理位置 内蒙古伊泰华电煤制油有限责任公司煤制油有限公司煤基合成油项目商业示 范项目 拟建设在内蒙古准格尔旗大路新区规划的煤化工为主的综合性园区内 大路新区位于内蒙古自治区准格尔旗北部大路乡和孔兑镇境内 东北部距自治区 首府呼和浩特约 80 km 南距旗域中心 旗委及政府所在地 薛家湾约 40 km 内蒙古伊泰华电煤制油有限公司项目厂址体位于大路新区规划的煤化工为主的园 区内 地处大路新区的西南 据黄河约 6 公里左右 2 工程地质 地震烈度 厂址所在区域出露地层比较齐全 地层裸露程度较好 寒武系 奥陶系 中 上石炭系地层出露相对较少 本区域各时代的地层 虽经历了历次构造运动 但构造运动都较弱 未见有 岩浆活动和变质作用 主要表现为微弱的地壳升降运动 和由此产生的轻微褶皱 和大小及方向不同的断裂构造 由于在二叠世后期 东部边缘翘起 形成盆地边 缘 构造变动亦自东向西逐渐减弱 根据沉降旋回和区域不整合的特征 本区域 内地层基本上可以分为印支期 燕山期和喜玛拉雅期三个构造层 该区域地处库布其沙漠的东边缘 地表为第四纪上更新统风积沙层和黄土层 Q4 覆盖层 平均厚度约 20 m 左右 其下为第三系上新统 N2 红色泥岩夹 砂岩 含钙质结核 厚度 5 10 m 白垩系志丹群 K1zh5 7 砂岩层 砂岩中含 水层平均厚度在 100 m 左右 最薄处不小于 80 m 由十二连城乡 敖尔圪气 布 日嘎斯太 哈岱高勒乡的地质剖面可知 区域内地层总体呈 NW20 层状构造 倾角 3 5 碎屑砂岩层与泥岩互层 碎屑砂岩层在敖尔圪气 格条不拉 召沟一 带分布最广 本区域主要有燕山期和喜马拉雅期二个构造层 燕山期包括侏罗系和白垩系 地层 喜马拉雅期为第三系上新世 N2 地层 第四纪以来 全区基本上处于新 构造运动的上升阶段 构造运动对区域表现微弱 断裂构造不太发育 项目区地处黄土丘陵区 北部多为风积沙丘或沙地 地形总体呈西南高东北 低之势 北部沙丘区自然地面标高在 1040 1080 m 左右 地形起伏小 植被覆盖 空冷器工艺设计 21 率较高 南部丘陵区自然地面标高在 1180 1245 m 左右 地形起伏较大 植被差 沟壑纵横 水土流失较为严重 根据初步参考资料 本项目厂址区域建筑场地类别为 类 评价范围内地下 水为孔隙潜水型上层滞水 水位埋深为地面下 2 1 5 9 m 主要赋存于 1 层及 2 B 层中 通常主要由大气降水渗透补给 本地区以蒸发和径流方式排泄 地下水的 矿化度较高 按总硬度分类为硬 极硬型水 按化学成分分类为重碳酸硫酸镁钾 钠型水 对普通混凝土无腐蚀性 场地覆盖层主要为第四系全新统风积砂 晚更新统冲积中粗砂 砾砂层及粉 质粘土 下伏基岩为白垩系砂岩与泥岩互层 根据钻探 原位测试及室内土工试 验成果 在勘探深度范围内场地地层构成如下 1 层 细砂 黄 黄褐色 含云母 石英 植物根系 夹有粉砂 中砂透镜体 稍湿 饱和 稍密 标贯校正击数平均值为 13 2 击 重型动力触探校正击数平均 值为 9 3 击 2 层 该层以粉质粘土为主 中粗砂透镜体赋存于场地西北部 砾砂夹层于 粉质粘土赋存于场地东部及南部连缘 2 A 层 粉质粘土 黄褐 棕褐色 含云母 煤屑 菌丝 氧化铁 局部混有 砂砾 夹有钙质层 硬塑 中等偏低压缩性 标贯校正击数平均值为 19 9 击 重 型动力触探校正击数平均值为 11 3 击 2 B 层 中粗砂 黄褐 灰黄 含云母 石英 氧化铁 混夹砾石 园砾 饱 和 密实 标贯校正击数平均值为 34 7 击 重型动力触探校正击数平均值为 l 7 击 2 C 层 砾砂层 褐黄 灰黄色 含石英 氧化铁 氧化铝 夹有大量粗砂 砾砂 湿 密实 标贯校正击数平均值为 30 7 击 重型动力触探校正击数平均值 为 19 2 击 3 层 全 强风化泥岩 砂岩 3 A 层 全 强风化泥岩 以紫红色为主 局部混灰绿色 全 强风化 裂隙 很发育 岩芯成短柱状 岩芯易敲碎 成碎块状 片状 刀切易断 岩块用手易 捏碎 标贯校正击数平均值为 40 7 击 重型动力触探校正击数平均值为 21 9 击 天然抗压强度平均值为 0 367 MPa 软化系数为 0 23 属易软化岩石 空冷器工艺设计 22 3 B 层 全 强风化砂岩 灰白色 灰黄色 全 强风化 岩芯结构强度差 易 敲碎 岩芯刀切易断 岩块用手易捏碎成砂粒 标贯校正击数平均值为 27 5 击 天然抗压强度平均值为 0 41 MPa 软化系数为 0 4 属易软化岩石 4 层 强 中 等风化泥岩 砂岩 4 A 强 中等风化泥岩 紫红色 岩芯较完整 裂隙发育 岩芯难敲碎 刀 切较困难 岩块用手捏不碎 标贯校正击数平均值大于 50 击 天然抗压强度平均 值为 1 14 MPa 软化系数为 0 19 属易软化岩石 4 B 强 中等风化砂岩 灰白色 岩芯较完整 岩芯刀切较困难 岩块用手 能捏碎成砂粒 天然抗压强度平均值为 0 65 MPa 软化系数为 0 14 属易软化岩 石 厂址所在区域地震动峰值加速度为 0 10 g 地震基本烈度为 7 度 4 3 2 自然环境概况 1 气候与气象 准格尔地区属典型的中温带大陆性季风气候 全年大部分季节受大陆气团的 控制 四季分明 以干旱为主 冬季受蒙古高压控制漫长而寒冷 夏季受太平洋 副热带高压控制 短促且炎热 昼夜温差大 干旱多风沙 蒸发强烈 降雨少而 集中 多集中在 7 8 9 三个月 气温由北向南逐步升高 据项目所在气象台多 年气象观测资料表明 该地年平均气温 7 6 最冷月为一月 平均气温 6 8 最热为七月 平均气温 25 5 气温年较差 33 4 年极端最高气温 37 8 极 端最低气温 23 1 年平均降水量为 395 2 mm 年际降水变率在 25 左右 年平 均相对湿度 53 年内降水分配极不均匀 降水主要集中在夏季 6 8 月降雨量 占全年降水量的 72 多年平均蒸发量 1850 3 mm 为年平均降水量的 15 4 倍 空气干燥 年平均相对湿度仅为 43 春季更低为 31 该地区多风沙 年大风 日数为 29 4 天 主要出现在 4 6 月 年平均风速为 2 4 m s 平均风速最大风速 13 3 m s 年最多风向为 W 风 出现频率 14 1 次多风向 S 风 频率 11 6 全年静风出现频率 17 9 冬季静风率最高 一月静风频率为 31 8 2 水文情况 1 地表水 准格尔旗沟谷发达 长为 50 km 以上的沟川河流 4 条 地表沟纹密布 河网 密度为 0 25 km 地表水流主要有黄河 龙王沟 浒斯太河 十里长川等 流经 空冷器工艺设计 23 该地的黄河河段流程约 197 km 年均流量 2500 m3 s 年平均径流总量 24 82 104 m3 最大洪峰流量 7450 m3 s 全旗地表水年径流总量为 43008 5 104m3 除去基流量 14153 3 104 m3 年 地表径流量为 28855 3 104 m3 2 地下水 准格尔旗水源主要是第四系上更新统至全新统 Q3 4 冲积层地下水 地 下水来源于黄河侧渗补给 基岩山区裂隙水和大气降水 该区地下水埋深随各级 阶地分布不同而变化 黄河近岸地下水埋深 1 0 11 m 根据区域水文地质条件 水层埋深 水质 富水性及开采的技术条件等因素 全旗地下水分为黄河平原孔 隙水 沙漠下伏裂隙水 低山丘陵裂隙水等六个大区 本区大地构造处于伊陕盾地东缘 地层走向北东 45 基岩总的构造形势呈 东北高 西南低 岩层平缓 倾角一般小于 10 含煤地层为上石炭统太原组和 下二迭统山西组 岩性以砂岩 砂泥岩 粘土岩为主 直接充水岩层主要为坚硬 之裂隙砂岩 充水空间发育 但补给来源贫乏 涌水量很小 本区气候干燥 年 平均蒸发量大于降水量的四倍 降水量多集中 7 8 9 三个月 形成集中补给 集中排泄 以地表迳流形式注入黄河 渗入地下只是很少一部分 3 土壤植被 准格尔旗地区的土壤主要分布有栗钙土 风沙土 潮土 黄绵土 盐土等 5 种 分布面积最广的栗钙土占总分布面积的 45 5 风沙土占总分布面积的 28 黄绵土占总分布面积的 22 准格尔旗地区在植被分布上属于干旱草原 野生植被具有明显的旱生形态植 株矮小 根系发达 叶片肉质化 旗境草场面积约 630 104 亩 占总面积的 54 3 林地保存面积 150 104 亩 占总面积的 13 但植被稀疏 灌丛化强 退化速度 快 产草量低 4 3 3 建设地区气象条件 1 气温 年平均气温 7 3 极端最高气温 40 1 极端最低气温 36 3 空冷器工艺设计 24 最热月 7 月 平均气温 23 2 最冷月 1 月 平均气温 11 5 2 湿度 年平均相对湿度 54 3 大气压力 年平均气压 900 8 kPa 夏季平均气压 893 9 kPa 冬季平均气压 906 9 kPa 4 降雨量 年平均降雨量 352 3 mm 日最大降雨量 69 mm 十分钟最大降雨量 19 3 mm 5 雪 最大积雪深度 250 mm 雪荷载 400 Pa 6 风 10 分钟平均最大风速 地面以上 10 米 处 18 m s 风荷载 地面以上 10 米处 450 kPa 年平均风速 1 9 m s 年主导风向 W C 11 37 夏季主导风向 S C 8 33 冬季主导风向 W C 13 46 7 风玫瑰图 空冷器工艺设计 25 8 雷暴日数 年平均日数 31 天 全年最多日数 43 天 9 最大冻土深度 m 地面以下 1500 mm 10 地下水位地面以下 30 m 空冷器工艺设计 26 11 地震烈度 抗震设防烈度为 7 度 设计基本地震加速度值为 0 10 g 第一组 12 海拔高度 1151 10 米 13 地理座标 东经 111 15 北纬 40 5 4 4 设计计算 已知馏程 80 70 3 900 1244 9141 529 kg kg h m 流体物性 质量流量为 设计气温取 35 其他设计当中所需要的参数来源 现场提供 查看标准 根据现场参数需要 设计一台空冷器 计算中所用公式参照 热交换器设计手册 16 4 4 1 零件选型 1 换热管 GB150 1998 材料 10 号钢 查表 4 3 70 设计温度下许用应力 70 105 2 t MPa 查表 F2 70 设计温度下屈服应力 70 168 s MPa 查表 F5 70 金属弹性模量 703 198 4 10 t EMPa 45 金属弹性模量 MPaEt 3 100625 206 查表 F6 45 金属平均线性膨胀系数 mmmm t 100759 11 6 2 管板 GB150 1998 材料 16Mn 锻件 常温下材料许用应力 MPa150 1212 ttTT其中空气入口 出口温度分别用 表示 工艺流体入口 出口温度分别用 表示 空冷器工艺设计 27 70 设计温度下许用应力 70 148 8MPa 80 设计温度下许用应力 80 142 2MPa 查表 F5 70 金属弹性模量 MPaEEE fp 3 108 201 80 金属弹性模量 MPaEE fp 3 102 199 3 螺柱 GB150 1998 材料 40Cr 查表 4 7 常温下许用应力 MPa b 212 120 设计温度下许用应力 MPa b 6 186 120 170 设计温度下许用应力 MPa b 8 181 170 4 垫片 GB191 1999 材料 镀锌薄钢板包石棉橡胶板 查表 9 2 垫片系数 75 3 m 比压力 MPay4 52 4 4 2 计算过程 1 计算接近温差 11 70 353515Tt 4 5 由选用空冷器的条件来看 选用空气作为冷却介质是合适的 2 概略计算 查表 4 5 得 假设以裸管表面积为准的总传热系数 2 500u mh 千卡 取 则由计算可得 11 7035 0 700 500 Tt u 4 6 表 4 3 空冷式热交换器总传热系数概略值 U 以裸管表面积为准 单位 千卡 米 2 时 空冷器工艺设计 28 冷凝时 千卡 米 2 时 胺反应器 450 500 氨 500 600 氟