《空冷式换热器》PPT课件.ppt

空冷式换热器 一 概述 1 空冷器的发展概况 2 空冷方式与水冷方式的优缺点比较 1 空冷器的发展概况 空冷式换热器 简称空冷器 它是以环境空气作为冷却介质 依靠翅片管扩展传热面积强化管外传热 靠空气横掠翅片管管束后的空气温升带走管内热负荷 达到冷凝 冷却管内热流体的目的 在炼油 化工行业中空冷器是主要的工艺设备之一 故其研究倍受重视 从其设计 制造 结构改进到其传热机理的研究与实验一直都在进行 本来水是最理想的冷却介质 所以传统的工业冷却系统都是水冷 但自二十世纪四十年代以来 随着工业 特别是炼油 化工 动力冶金工业的发展 工业用水量急剧增加 出现了水供应不足 而且人们对保护环境 防止工业用水对江河湖海污染的呼声日益高涨 同时由于能源日益短缺 要求最大限度地节约能源 鉴于这些原因 迫切要求开发新的冷却介质和冷却设备 取之不尽 用之不竭的空气就自然受到了人们的重视 在一个相当长的时期内 空冷器未受重视的原因 主要是空气热焓值太低 其比热为0 24千卡 公斤 仅为水的1 4 因此在相同冷却热负荷下 需要的空气量将是水的4倍 而且空气的密度 给热系数又远比水小 所以若用常规的传热元件 空冷器的体积势必比水冷器大的多 又由于大气温度随气候 季节 昼夜变化大 被冷介质的出口温度不易控制 所以直到二十世纪二十年代 才出现第一台空冷器 这台空冷器安装在美国西部一个炼油厂 作为排汽冷凝器 它采用立式布置管束 自然通风 1930年开始用单面立式和卧式布置的翅片管管束 并用风机驱动空气 这一发展可以说是空冷技术发展史上的一次突破 在二十世纪五十年代以前工业装置上空冷器都是干空冷 结构型式和操作经验很不完善 以后为了提高冷却性能 扩大适用范围 从多方面进行了改进 例如 为了适应高气温要求 发展了湿式空冷器 干 湿联合空冷 为了适应低气温与高粘 易凝流体的冷却 设计出了内 外热风再循环 自调百叶窗 加热蒸汽盘管 纵向内翅片管等等 为精确控制工艺介质的出口温度和节约动力消耗 发展了自调倾角风机 自动调速风机 变频电机等等 为了适应各种操作温度和压力 研制出了多种结构型式的管束和管箱 如水平式 斜顶式 立式管束 丝堵式 可卸盖板式 可卸帽盖式 集合管式 分解式管箱 为了提高传热效率 耐腐蚀性能 降低功率损耗 出现了数十种不同类型的翅片管 如I型简单绕片管 L型绕片管 LL型绕片管 滚花型绕片管 镶嵌式翅片管 双金属轧制翅片管 椭圆翅片管 开槽翅片管等等 为了降低噪声 提高风机效能 发展了各种风机叶型和传动型式 如R型 B型玻璃钢叶片 铸铝叶片 铝合金叶片 V带传动 同步带传动 齿轮减速器传动 电动机直接传动等等 总之 随着空冷器应用范围的扩大 其技术不断提高 结构型式日益完善 目前空冷器使用的场合很广 除炼油厂 石油化工厂大量使用外 在液化天然气 液化石油气 煤的液化 煤气管道 火力发电 柴油机发电 海洋工程 原子能工程以及城市垃圾处理等装置中都在使用 我国自1964年研制成功空冷器以来 在炼油厂和石油化工厂迅速得到应用 从轻油到重油 渣油 从正压到负压 从炎热的南方到严寒的北方 从水源充足的地区到缺水地区 都已成功地使用了空冷器 1 在炼油工业中的应用空冷器最早应用在炼油工业 1948年美国TEXCOCORPUSCHRIST炼厂首先以空冷器取代了水冷 即出现了所谓全空冷炼厂 五十年代末期 英国的WHIFEGATE炼厂和DOLYTON炼厂均以空冷取代了水冷 1971年加拿大建的土坡角炼厂和比利时建的费芦炼厂也以空冷取代了水冷 大量使用空冷器后 炼厂用水量大幅度下降 使每加工一吨原油耗水量从几吨 甚至十几吨降到了一吨以下 2 在化学工业中的应用空冷器特别适用于各种化工产品的冷却 在合成氨 合成醇 氯化物 聚氯乙稀 烷基苯 化纤以及酸 糠醛等有机分馏工艺装置中均有大量用例 对于遇水易爆 易溶的有毒介质 采用空冷尤为合适 3 在动力工业中的应用国外电站空冷已有40多年历史 目前仍在继续发展 火力发电站改为空冷一般可节水90 以上 4 在冶金工业中的应用空冷技术在冶金工业中的应用也比较成熟 主要用于高炉 平炉 金属炉循环水的冷却 5 在原子能工业中的应用在原子能工业中新的用例是在快速反应堆的芯部 冷却循环液态金属钠 在此用空冷器的优点是一旦发生熔融的盐或金属从工艺侧泄漏 不至发生危险性反应 2 空冷方式与水冷方式的优缺点比较 1 空冷与水冷优点的比较空冷的最大优点就是操作费用低 节约用水 对环境没有污染 但占地面积大 投资多 有时使用受到限制 水冷的最大优点是结构紧凑 安装费用低 但操作费用高 对环境污染严重 2 空冷器与节能的关系空冷器一般是把高温工艺介质的热量散入大气中 空冷预热器类型除外 无助于节能 但从冷却观点看 空冷器比水冷器耗用动力要少的多 有助于节能 是节能设备 实践证明空冷器不仅可以节约大量用水 防止对环境的污染 而且维护费用低 还较安全可靠 与水冷相比 还具有更长的使用寿命 因此发展空冷器技术和设备即是节水 保护环境的要求 也是节能的要求 空冷与水冷相比的优点 空冷的优点1 对环境没有热污染和化学污染 2 空气可随意取得 不需任何辅助设备和费用 3 选厂址不受限制 4 空气腐蚀性小 不需要除垢和清洗 使用寿命长 5 空气的压降仅有10 20毫米 故空气的操作费用低 6 空冷系统的维护费用 一般情况下仅为水冷系统的20 30 7 一旦风机电源切断 仍有30 40 的自然冷却能力 水冷的缺点1 对环境污染严重 2 冷却水往往受水源限制 需设置管线和泵站等设施 3 特别对较大的厂 选厂址时必须考虑有充足的水源 4 水腐蚀性强 需要进行处理 以防结垢和脏物的淤积 5 循环水压高 取决于冷却器和冷水塔的相对位置 故水冷能耗高 6 由于水冷设备多 易于结垢 在温暖气候条件下还易生长微生附于冷却器表面 常常需要停工清洗 7 电源一断 即要全部停产 水冷与空冷相比的优点 水冷的优点1 水冷通常能使工艺流体冷却到低于空气温度2 3 且循环水在水塔中可被冷却到接近环境湿球温度 2 水冷对环境温度变化不敏感 3 水冷器结构紧凑 其冷却面积比空冷器冷却面积要大的多 4 水冷器可以设置在其他设备之间 如管线下面 5 用一般列管式换热器即可满足要求 6 无噪声 空冷的缺点1 由于空气比热小 且冷却效果取决与干球温度 通常不能把工艺流体冷却到环境温度 2 大气温度波动大 风 雨 阳光 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 3 由于空气侧膜传热系数低 故空冷器的要小的多 4 空冷器不能紧靠大的障碍物 如建筑物 大树 否则会引起热风循环 5 要求用特殊工艺制造的翅片管和风机 6 有一定的噪声 二 普通空冷器的组成与结构 1 基本组成2 基本结构3 普通空冷器型号的表示方法 图1鼓风式空冷器 图2引风式空冷器 a 丝堵式管箱的管束 图3管束及管箱的典型结构 b 可卸盖板式管箱的管束 c 可卸帽盖式管箱的管束d 集合管式管箱的管束 图4典型的传动机构 图5百叶窗的典型结构 3 普通空冷器型号的表示方法 1 管束a 型式与代号见表1表1 b 管束型号表示方法 管程数翅化比 翅片管型式设计压力Mpa 管箱型式管束换热面积m2管排数管束公称尺寸 长 宽m管束型式 c 示例 鼓风式水平管束 长9m 宽2m 6排管 基管换热面积140m2 设计压力为4Mpa 可卸盖板式管箱 镶嵌式翅片管 翅化比17 3 管程的管束型号为 GP9 2 6 140 4K1 17 3 G 斜顶管束 长4 5m 宽3m 4排管 基管换热面积63 6m2 设计压力为1 6Mpa 丝堵式管箱 双LL型翅片管 翅化比23 0 管程的管束型号为 X4 5 3 4 63 6 1 6S 23 0 LL 2 风机 a 型式与代号见表2表2 b 风机型号表示方法 电动机功率 kW风机传动方式叶片数叶片型式叶轮直径 102mm风量调节方式通风方式 c 示例 鼓风式 停机手动调角风机 直径2400mm B型玻璃钢叶片 叶片数4个 悬挂式电机轴朝上V带传动 电动机功率18 5kW的风机型号为 G TF24B4 VS18 5 引风式 自动调角风机 直径3000mm R型玻璃钢叶片 叶片数6个 带支架的直角齿轮传动 电动机功率15kW的风机型号为 Y ZFJ30R6 C15 3 构架 a 型式与代号见表3表3 b 构架型号表示方法 风箱型式风机直径 102mm 台数构架公称尺寸长 宽 对斜顶式构架为长 宽 斜边长 m 开 闭 型式构架型式 c 示例 鼓风式空冷器水平构架 长9m 宽4m 风机直径3600mm 2台 方箱型风箱 闭式构架型号为 GJP9 4B 36 2F 鼓风式空冷器斜顶构架 长5m 宽6m 风机直径4500mm 1台 过渡锥型风箱 闭式构架型号为 JX5 6 4 5 B 45 1Z 4 百叶窗 a 型式与代号 手动调节代号SC 自动调节代号ZC 见图5 a 百叶窗型号表示方法公称尺寸 长 宽 m调节方式b 示例 手动调节百叶窗 长9m 宽3m 其型号为 SC9 3 自动调节百叶窗 长6m 宽2m 其型号为 ZC6 2 5 空冷器型号的表示方法 百叶窗型式 公称尺寸 台数构架型式 公称尺寸 开 闭 型式 台数风机型式 叶轮直径 102mm 台数管束型式 公称尺寸 片数 示例 鼓风式空冷器鼓风式空冷器 水平式管束 长 宽为9m 3m 4片 停机手动调角风机 直径3600mm 4台 水平式构架 长 宽为9m 6m 一跨闭式构架 一跨开式构架 手动调节百叶窗 4台 长 宽为9m 6m的空冷器型号为 GJP9 6B 1GP9 3 4 TF36 4 SC9 3 4GJP9 6K 1 引风式空冷器引风式空冷器 水平式管束 长 宽为9m 3m 2片 自动调角风机 直径3600mm 1台 停机手动调角风机 直径3600mm 1台 水平式构架 长 宽为9m 6m 一跨闭式构架 自动调节百叶窗 长 宽为9m 3m 2台的空冷器型号为 ZFJ36 1YP9 3 2 YJP9 6B 1 ZC9 3 2TF36 1 三 空冷器的分类 1 管束布置方式2 通风方式3 冷却方式 1 管束布置方式 空冷器按管束布置方式分为 水平式 斜顶式 立式等 1 水平式空冷器 管束为水平布置 其特点是管子布置清晰 整齐 适于多单元组合 传热面积 管束长度不受限制 管内热流体和管外空气分布比较均匀 结构简单 安装方便 是炼油厂和石油化工厂中应用最多的空冷器 但其占地面积较大 管内压降较大 2 斜顶式空冷器 管束斜放呈人字形 夹角一般在60 左右 风机置于管束下方空间的中央 其特点是占地面积小 比水平式少40 50 结构紧凑 管内压降较小 但管内介质和管外空气分布不够均匀 热空气容易形成较严重的热风循环 结构复杂 成本也较高 一般多用作炼厂减压塔顶冷凝器 与立式管束配合用于干 湿联合空冷 3 立式空冷器 管束立放 其特点是结构紧凑 占地面积小 但管束中空气分布不均匀 易受外界自然风的干扰 结构复杂 多用于湿空冷和干湿联合空冷 2 通风方式 空冷器按通风方式分为 鼓风式 引风式 自然通风式 1 鼓风式空冷器 管束置于风机排风侧的空冷器 优点 a 风机和驱动机构不与热空气接触 结构材料可不考虑温度的影响 使用寿命较长 b 结构简单 便于维护保养 c 比较容易放置多个空冷器单元 缺点 a 空气经过底排管束的速度大 压力损失大 虽然可以强化传热 但气流分布不均匀 b 管束暴露于大气中 翅片管易被雪 雨侵袭而损伤 弄脏或腐蚀 c 在特殊气候条件下 如暴风雨 冰雹等 管内热流体的出口温度不易精确控制 操作波动大 d 热空气离开管束时 流速较低 有可能产生热风再循环现象 2 引风式空冷器 管束置于风机吸风侧的空冷器 优点 a 风扇和风筒对管束有屏蔽作用 能减少暴风雨及烈日对管束的直接影响 有利于温度控制 b 经风机排出的热风流速较高 热风再循环的可能性大为减少 c 进入管束的气流分布较均匀 空气压降稍有降低 d 风筒具有一定的吸风作用 能促进空气进行自然对流 因而可减少动力消耗 e 因为风机安装位置较高 所以平台处噪声较低 f 占地面积小 因为管束下面的走廊可安装其它设备 如管线 泵等 缺点 a 风机位于管束之上 直接受热空气作用 叶片和轴承需要有较好的耐热性能 一般要求风机出口温度不超过120 b 为防止风机空载时的超负荷 风机要有一定余量 c 风机及传动机构的维修保养较为麻烦 从总的情况看 目前国外应用情况大约是 引风式占60 鼓风式占40 3 冷却方式 3 自然通风式空冷器 自然通风式空冷器是借管束上面的热空气和管束下面的冷空气的密度差引起的空气自然流动而带走管内热量达到冷却管内热流体的目的 空气的速度主要取决于风筒的高度和通过管束及空气的温度 优点 由于它不用或很少用风机 因而具有节能和无噪音污染 运行费用低的优点 缺点 由于是自然对流 空气流速低 总的传热效率不如普通空冷器 其一次性投资比普通空冷器高 大约44 自然通风式空冷器主要应用于火力发电厂 空冷器按冷却方式分为 干式空冷器 湿式空冷器 干湿联合式空冷器以及表面蒸发式空冷器 1 干式空冷器干式空冷器就是常规空冷器 它是以环境空气作为冷却介质 依靠翅片管扩展传热面积来强化管外传热 借空气横掠翅片管后的空气温升带走热量 达到冷却 冷凝管内热流体的目的 其特点是操作简单 使用方便 但其管内热流体出口温度取决于空气干球温度 一般以不低于55 65 为宜 而且热流体出口温度与设计气温之差不低于15 20 否则不经济 2 湿式空冷器为弥补干空冷的缺点 出现了湿式空冷器 湿式空冷器根据其喷水方式可分为增湿型和喷淋型两种 3 干湿联合式空冷器干湿联合式空冷器就是将干空冷和湿空冷器组合成一体 由于组合方法的不同 结构形式也有多种变化 一般在工艺流体的高温区域用干空冷 在低温区域用湿空冷 其结构 操作均较复杂 2 湿式空冷器 a 增湿型湿空冷器 管束水平放置 其工作特点是在空气入口处喷雾状水 利用雾状水的蒸发使空气入口处干燥空气增湿接近饱和温度 以此降低空气温度 从而增大空气入口温度与管内热流体出口温度之间的温差来强化传热 增湿降温的空气经过挡水板除去夹带的水滴后横掠翅片管束 它仍然完全依靠空气温升来冷却或冷凝管内热流体 空气入口处空气相对湿度愈小 空气增湿后降温愈多 其冷却效果也愈显著 b 喷淋型湿空冷器 管束立放横排管 其工作特点是在空气入口处直接向翅片管管束上喷雾状水 使入口空气增湿降温 它主要依靠降低空气入口温度 增大空气入口温度与管内热流体出口温度之间的温差来强化管外传热 同时直接喷淋到前排翅片管表面上水的蒸发也部分地强化管外传热 但由于翅片管表面水的成膜性差 立置管束的喷透性差等原因 依靠翅片管表面水的部分蒸发带走的热量仅占总热负荷中较小部分 目前我国炼油化工厂使用的湿式空冷器大多属此形式 其管束立放横排管 喷淋型湿式空冷器由于采用立放管束 管子为三角形排列 其喷透性较差 第二排后面的管子喷不上水 而且翅片管水的成膜性差 再加上其喷咀容易堵塞 均严重影响湿式空冷器的冷却效果 而且其翅片管容易被腐蚀和结垢 不仅缩短了湿空冷器使用寿命 而且影响其传热效率 另外 湿式空冷器的软化水耗量大 设备运行费用较高 增湿型和喷淋型湿空冷一般适用于管内工艺流体入口温度低于80 的低温位介质的冷凝或冷却 理论上可使管内热流体冷却到高于环境湿温度5 左右 四 强化传热元件 空冷器管外空气的膜传热系数很低 所以强化其传热的关键在管外 强化管外传热最有效的手段有两种 a 靠传热管外表面水膜的蒸发强化管外传热 表面蒸发式空冷器b 靠扩展管外传热面积来强化管外传热 翅片管 普通的干式和湿式空冷器 翅片管是一种高效传热元件 它代表着普通空冷器的主要特征 是普通空冷器的核心和关键元件 它的性能直接影响着普通空冷器的发展 在普通空冷器中翅片管的费用约占管束总费用的60 以上 型翅片管 型绕片管制造简便 价格便宜 在石油化工用空冷器中大量采用 但由于铝片是借缠绕的初始应力紧固在钢管表面 因此其使用温度较低 一般为120 160 空冷器国标GB T15386 94中规定L型绕片管最高使用温度为150 当管壁温度超过70 翅片张力大大降低 翅片开始松动 接触热阻增大 热工性能不够理想 所以 型绕片管适用于工作条件比较平稳 温度无突变的场合 也不宜用于振动很大的场合 它耐大气腐蚀性差 在湿空冷中使用寿命很短 型翅片管 型翅片管也是一种绕片管 其翅片根部互相重叠 与管壁接触良好 保证了对管壁的完全覆盖 可防止大气对管子外表面的腐蚀 而且使用温度较L型有一定提高 空冷器国标GB T15386 94中规定LL型翅片管的最高使用温度为170 LL型翅片管适用于工作条件较平稳 温度无突变的场合 它对内管保护较好 耐大气腐蚀性比 型好 适用于湿空冷 传热性能也比 型略好 其价格比 型略贵 型翅片管 滚花型翅片管 型翅片管是一种 型绕片管 制造时管子表面先经滚花 绕片时再在L脚的上面同步滚压一次 使L脚一部分面积嵌入管子表面 这样就可使翅片与管子表面的接触面积增大50 这就意味着单位面积的热通量也降低50 因此翅片根部的热应力很小 甚至在几千次热循环之后 仍然保持其接触面积大于L脚本身的面积 翅片与管子接触面积大 贴合紧密 牢靠 能保持其性能长期不变 翅片与钢管的结合力及承受冷热急变能力比 型和 型翅片管好 空冷器国标GB T15386 94中规定KL型翅片管的最高使用温度为250 型翅片管 镶嵌型翅片管 铝片嵌入钢管表面被挤压的深约0 25 0 5mm的螺旋槽中 同时将槽中挤出的金属用滚轮压回翅片根部 这种翅片管的最大优点是热工性能好 工作温度可达350 400 翅片温度可达260 空冷器国标GB T15386 94中规定G型翅片管的最高使用温度为350 其缺点是翅片和管子二种金属在大气中易引起电化学腐蚀 抗腐蚀性差 造价高 管壁有应力集中 不能用于中 高压场合 如果压挤不良 槽缘不贴紧铝片 其传热性能比任何翅片管都差 型翅片管 双金属轧制型翅片管 双金属轧制型翅片管是较理想的抗腐蚀型管子 它克服了L型 LL型绕片管的缺点 双金属轧制型翅片管的内外管可以分别选材 内管根据热流体腐蚀情况和压力选定 如碳钢 不锈钢 钛 黄铜等等 管外可选用既有较好的延展性和抗大气腐蚀 又有良好的传热性能的金属 一般采用铝和铜 经过轧制内外管子完全可以紧密结合在一起 其优点是 A 抗腐蚀性能好 铝管在管外可保护内管不受腐蚀 使用寿命长 B 对温度突变及振动有良好抗力 GB15386 94中规定DR型翅片管的最高使用温度为280 传热性能较好 介于 型和 型翅片管之间 C 翅片整体性和刚度高 由于翅片牢固 不易变形 可用高压水 高压气清垢 同时由于内外管紧密结合 能长期保持高传热性能 其缺点是 价格较贵 制造技术要求高 重量大 与L型翅片管相比 设备总价格提高了5 7 椭圆型翅片管椭圆型翅片管是德国沿着一条完全独立路线发展空冷器的主要特点 其最早发明者是德国的GEA公司 椭圆型翅片管是椭圆管套矩形钢翅片 采用镀锌或镀锡处理 椭圆型翅片管的优点 A 与同样横截面的圆管相比 其水利直径小 因而管内给热系数较大 而且由于在管子后面形成的涡流小 所以管外压降可减少30 B 与同样的横截面的圆管相比 其表面积约大15 因此 在相同流速下 管外给热系数可提高25 C 翅片效率高 在同样条件下 圆管的翅片效率为74 而椭圆管为82 重量平均值 D 矩形椭圆翅片管采用短边迎风 迎风面积比较小 因而设计紧凑 占地面积只有圆管的80 E 在翅片上冲出湍流片 可以进一步提高管外传热系数 但压降稍有增加 但椭圆翅片管 也有它的不足之处 其主要缺点是 A 管束的维护 检修和更换管子比较困难 B 管束的造价较高 C 管束承受压力较低 椭圆翅片管的使用温度与压力范围如下 镀锡管 180 镀锌管 320 内压 50大气压外压 20大气压若使用压力超过此范围时 要选用圆形翅片管 7 紊流式翅片管这一类翅片管形式很多 其共同点就是通过对翅片本身结构的改变 使空气流经翅片时产生扰流 破坏其边界层 以提高管外膜传热系数 在空冷器中应用较多的主要有以下几种 1 径向开槽翅片管这种翅片管是在翅片圆周上均匀地沿径向开出12 36个切口 槽 一般为24个 切口深度为翅片高度的0 3 0 7 切口两边的翅片成 八 字形交替向翅片管的前后两端倾斜 由于切口破坏了气流的边界层 增加湍流的作用 传热效率大为提高 一般讲管外侧给热系数可提高25 50 总传热系数可提高20 以上 其缺点是制造复杂 造价较高 2 轮辐式翅片管大约在六十年代中期 由英国 Wheelfin 公司首先研制成功 其传热效率较光滑翅片管高 但空气压力降也加大 3 波纹型翅片管这种翅片管形式很多 由于波纹的作用 可以强化传热 但是阻力都比较大 波纹管的实验结果表明 由于在皱纹的凹处不能受到气流的直接冲刷 很容易结垢 且难以清除 阻力比一般L型绕片管高60 左右 因此 翅片的皱纹 或皱折 部分不宜过高 这种翅片管一般用在自然对流传热中 在高质量流速下不宜采用 五 表面蒸发式空冷器 1 概述2 结构型式3 设计4 工业应用 第一节概述 一 背景二 国内外发展状况三 工作原理与特点 一 背景 空冷式换热器 以下简称空冷器 是以环境空气作为冷却介质 依靠翅片管扩展传热面积强化管外传热 靠空气横掠翅片管束后的空气温升带走管内热负荷 达到冷凝冷却管内热流体的目的 它在炼油 化工行业中是主要的工艺设备之一 故其研究倍受重视 从其设计 制造 结构改进到其传热机理的研究与试验一直都在进行 目前 国内外炼油化工行业中的冷凝冷却设备主要是水冷器和空冷器 随着工业 特别是炼油 化工 电力工业的发展 工业用水量急剧增加 出现了水供应不足 而且由于环保和节能的要求越来越强烈 越来越严格 再加上空冷器具有节水效果好 操作费用低 环境污染小 使用寿命长等优点 国内外炼油化工厂均已大量采用空冷器来代替水冷器 所以发展空冷技术和设备既是节水 节能 保护环境的要求 也是提高装置效益的要求 图 1 增湿型湿式空冷器图 2 喷淋蒸发型湿式空冷器1 管束 2 热流体入口 3 空气入口 4 循环水泵 5 排水管 6 供水管 7 阀门 8 挡水板 9 热流体出口 10 热空气出口 目前 在炼油化工行业中普遍使用的空冷器为干式空冷器和湿式空冷器 包括增湿型和喷淋蒸发型 以及干湿联合空冷器 干式空冷器操作简单 使用方便 但其管内热流体出口温度取决于环境干球温度 一般以不低于55 65 1 为宜 而且热流体出口温度与设计气温之差不得低于15 20 1 2 否则就不经济 所以它不能把管内热流体冷却到环境温度 而且随着节能技术的提高和改善 干式空冷器的使用由热流体进口温度大部分在180 左右下降到100 120 左右 对于120 以上的热流体大多采用了热能回收措施而无干式空冷器的用武之地 它对低温位热流体的冷却无能为力 为了得到较低的热流体出口温度 必须对干式空冷器配后水冷器 增湿型湿式空冷器 见图 1 2 的工作机理是在空冷器的工作过程中在空气入口处喷雾状水 使空冷器的入口空气增湿降温 增湿后的低温空气经过挡水板除去夹带的水滴 再横掠翅片管束 从而增大空气入口温度与热流体出口温度之间的温差来强化管外传热 喷淋蒸发型湿式空冷器 见图 2 2 的工作机理是在空冷器 管束多为立放横排管 的工作过程中直接向翅片管上喷雾状水 借助于翅片管上少量水的蒸发和空气被增湿降温而强化管外传热 它同时兼有增湿型湿式空冷器的优点 我国目前炼油化工厂使用的湿式空冷器大多属此型式 但是喷淋蒸发型湿式空冷器的管排数不宜过多 一般为2 4排 而且只有前两排翅片管的迎水面才能被喷上水 第二排管以后其传热没有强化或强化很少 同时由于翅片管的结构特点 翅片表面无法完全被湿润 翅片管表面水的成膜性很差 翅片管上蒸发的水量很少 水的蒸发效率很低 翅片根部易积水 易结垢 增加了热阻 所以仅靠翅片管上水的蒸发带走的热负荷很小 约占总负荷的10 20 因此它主要还是靠增湿降温后空气的温升带走管内大部分热负荷 湿式空冷器仅适合于冷却进口温度低于70 75 1 2 的热流体 如果热介质进口温度高于80 时 翅片管表面极易结垢 它可将热流体冷却到高于环境湿球温度5 左右 1 同时由于湿式空冷器要求喷雾化水 所以其喷淋系统的喷嘴出水口很小 一般为0 5 1 使用中极易堵塞 严重影响湿式空冷器的冷却效果 干式和湿式空冷器的工作机理决定了其冷却效果均受环境气温影响较大 气温波动 风 雨 日晒以及季节变化均会显著地影响其冷却性能 故其操作弹性差 在冬季还会引起管内介质冻结 由于空气侧膜系数低 其传热面积要大得多 因此必须采用翅片管 故其投资较高 针对空冷器存在的上述问题 国外有关研究人员于二十世纪六十年代开始了综合空冷和水冷优点的新型冷却器 蒸发式冷却器的理论和试验研究 我国研究人员也于二十世纪八十年代开始了相应的研究开发工作 二 国内外发展状况 表面蒸发型空冷式换热器 以下简称蒸发空冷 是一种比湿空冷和干空冷加后水冷性能更优越的新型冷却器 是国内外近年来着力开发的一种新型冷换设备 是空冷技术的发展方向 国外于二十世纪六十年代开始了有关蒸发空冷的基础理论和试验及其设计方法的研究工作 3 4 5 6 7 8 文献 3 首次提出了用管内工艺流体与管外喷淋水之间的总传热系数以及管外表面喷淋水与空气之间的以焓差为推动力的总传质系数来描述蒸发空冷的传热 传质模型 并进行了相应的试验研究 得出了计算蒸发空冷的传热传质系数的试验公式 文献 4 后来也提出了与文献 3 相类似的蒸发空冷的数学模型和设计方法 文献 5 6 按文献 3 提出的数学模型对解析法进行了理论和试验探讨 文献 8 提出了三种不同结构型式的蒸发空冷芯子的设计方法 并以实例计算进行方案比较 得出的结论是通过适当使用填料而不用翅片管增加传质面积 即可大大提高光管蒸发空冷的冷却性能 文献 9 介绍了如何正确使用闭路循环蒸发冷却 认为与普通的开放式冷却塔 换热器和干空冷相比 闭路循环蒸发冷却塔具有节省费用 操作性好的优点 国外开发研制出的蒸发空冷现已被广泛应用于压缩机中间冷却 透平引擎夹套水冷却 润滑油冷却和其他无机物水溶液冷却 美国BrounderT T 公司制造的蒸发空冷已用于许多大型硫酸厂 德国GEA公司 美国B A C公司和FES公司都在开发研制蒸发空冷 其产品主要用于制冷和空调系统 我国在二十世纪八十年代初从国外引进的十几套石蜡成型装置中均带有蒸发空冷 用于其制冷剂的冷凝冷却 由此国内开始了有关蒸发空冷的开发研制工作 文献 10 介绍了哈尔滨空调机厂在1985年仿制了一台美国FES公司的LS 250型蒸发空冷代替茂名石化公司炼油厂第一套石蜡成型装置制冷系统中的立式水冷器 过热氨气冷凝器 并考虑了国内氨压缩机出口温度高的情况 将原引进设备的全部换热面积分出一部分置于捕雾器之上 翅片管束 对氨气进行预冷 并作了两种冷却方案的经济效益对比 采用蒸发空冷代替立式水冷器每年可节省运转费用20 7万元 文献 11 介绍了洛阳石化工程公司针对蒸发空冷在实验室进行了三个试样 多种工况的试验 对其传热性能进行了研究 对各种结构参数进行了筛选 推导了传热方程式 并按照炼油厂常减压装置汽油 煤油 轻柴油和重柴油产品后冷的工艺要求 分别进行光管蒸发空冷和管壳式水冷器的设计计算 对两种计算结果进行了比较和分析 并和西安化工机械厂共同于1987年研制了一台蒸发空冷 在长岭炼油厂进行了工业性试验和技术标定 12 文献 13 介绍了我国四川银山磷肥厂10万吨 年硫酸装置的干吸塔在技术改造中采用了蒸发空冷用于循环水冷却 它对单独凉水塔循环供水和蒸发空冷循环供水两种方案作了技术经济性比较 采用蒸发空冷的一次性投资仅为单独新建冷却塔的50 其年总操作费用仅为冷却塔的57 每年可节约电能20 8万度 文献 14 介绍了蒸发空冷的基本原理 结构特点和设计方法 文献 15 在文献 14 的基础上针对蒸发空冷的几何参数和性能参数的设计计算 开发出了可供蒸发空冷设计的计算方法和相应的电子计算机程序 并验算了文献 4 8 的算例 结果较为一致 文献 16 介绍了兰州石油机械研究所于1992年为兰州炼油化工总厂设计制造了一台蒸发空冷 用于代替该厂第三套酮苯脱蜡装置制冷系统的立式水冷器 过热氨气冷凝器 根据用户提供的工艺设计参数和技术要求 兰州石油机械研究所采用自行开发的蒸发空冷设计计算程序进行了该设备的工艺计算及优化设计 同时双方共同对该设备进行了现场标定 测试数据表明这台蒸发空冷的冷却效果大大优于立式水冷器 使氨的出口温度接近环境湿球温度 而且设计计算结果与实测数据一致性很好 证明其设计计算方法和计算程序是切实可靠的 文献 17 介绍了兰州石油机械研究所于1994年为兰州炼油化工总厂10万吨 年气分装置设计制造了两台蒸发空冷 用于代替该装置原有的湿空冷 同时双方共同进行了现场标定 设备运转良好 其冷却性能优于原来的湿空冷 文献 18 介绍了兰州石油机械研究所针对炼油厂常压塔顶冷换设备的腐蚀机理和特点 巧妙地利用蒸发空冷独有的结构特点及钛材优良的抗腐蚀性能 于1997年为延安炼油厂设计制造了两台钛复合板蒸发空冷 从而解决了用户常压塔顶冷换设备腐蚀严重 使用寿命短的问题 同时又降低了设备造价 为用户节省投资两百万元 能耗 水耗和占地面积 国内开发研制的蒸发空冷主要用于炼油化工行业 尤其是兰州石油机械研究所设计制造的几百台蒸发空冷已大量应用于国内炼油化工厂的主要大型装置中 三 工作原理与特点 图 3 蒸发空冷工作原理示意图 蒸发空冷布管示意图 蒸发空冷的结构与工艺流程如图 3所示 其工作过程是用管道泵将设备下部水箱中的循环冷却水输送到位于水平放置的光管管束上方的喷淋水分配器 由该分配器将冷却水向下喷淋到传热管外表面 使管外表面形成连续均匀的薄水膜 同时用引风式轴流风机将空气从设备下部空气吸入窗口吸入 使空气自下向上流动 横掠水平放置的光管管束 水一面从管壁吸收管内热流体释放的热量 一面又与穿过管束向上流动的空气接触 部分水蒸发进入空气中 其余的水逐渐放出其吸收的热量后恢复到其进口水温度 流到贮水池中 此时传热管的管外换热除依靠水膜与空气流间的显热传递外 主要是依靠传热管外表面水膜的迅速蒸发来吸收管内的大部分热量 从而强化了管外传热 使设备总体传热效率明显提高 传热管外表面水膜的蒸发使得空气穿过光管管束后湿度增加而接近饱和 引风式轴流风机将饱和湿空气从管束中抽出使其穿过位于喷淋水分配器上方的除雾器 除去饱和湿空气中夹带的水滴后从设备顶部风机出口处排入大气中 由于风机位于设备顶部向上抽吸空气 从而在风机下部空间形成负压区域 加速了传热管外表面水膜的蒸发 有利于强化管外传热 在蒸发空冷中 工艺介质走管内水平流动 空气 水走管外 空气由下向上流动 喷淋水由上往下流动 水 空气与工艺介质为交叉错流 水与空气为逆流 从冷热介质的流程布置上也强化了传热传质过程 为防止水和空气对传热管外表面的腐蚀 对传热管外表面进行了防腐处理 且传热管采用光管 在蒸发空冷中喷淋水一面循环喷淋一面蒸发 则喷淋水中的盐类浓度逐步增大 达到一定程度会在管外壁上结垢 会使设备传热性能下降 所以应将贮水池中的水连续或定期排放出一部分 以把盐类浓度控制在产生污垢的界限以下 为此要给贮水池中补充一定量的新鲜水以保持水中盐类浓度 防止管外结垢 并补偿蒸发的水量和排放的水 蒸发空冷的喷淋水应采用软化水为宜 蒸发空冷一般采用光管为传热管 如果采用翅片管 从理论上讲扩大了传热和传质表面 但这里用翅片管的优越性不如干空冷那么显著 其主要原因是 翅片管表面无法完全被水湿润 翅片上水的成膜性很差 而且翅片间的积水也会削弱翅片的作用 并使热阻增加 蒸发空冷一般适用于各种温度低于80 的低温位工艺流体的冷却和冷凝 它可使工艺流体出口温度冷到接近环境湿球温度 如果工艺流体入口温度高于80 在管束入口段管壁温度过高 使管外表面水膜容易结垢 增加了传热传质阻力 会降低蒸发空冷的传热效率 为此 当工艺流体入口温度高于80 时 将蒸发空冷中的除雾器用翅片管代替 使高温位热流体先流经翅片管束预冷到80 以下再进入光管管束进行冷却或冷凝 使翅片管管束起到既冷却又除雾的双重作用 从而扩大了蒸发空冷的适用范围 并增加了传热面积 与干式和湿式空冷器相比 蒸发空冷具有以下优点 1 传热效率高 冷却效果好 所需传热面积小 结构紧凑 因为蒸发空冷的管外传热是由管壁 水膜间的强制对流传热和水膜 空气间的直接接触蒸发传质传热两步完成 而水具有很高的汽化潜热 从而大大强化了管外表面的传热强度 其传热强度远远大于管壁 空气间的对流传热 使蒸发空冷的总体传热效率远远大于干式和湿式空冷 固其所需传热面积小 结构紧凑 而且蒸发空冷可直接将管内热流体冷到较低温度 40 以下 而不再需要后水冷器 在合理设计下可使管内热流体出口温度冷到接近环境湿球温度 固其冷却效果好 同时解决了干空冷为了获得较低冷却冷凝温度而必须配带后水冷器的问题 2 能耗和水耗小 操作费用低 因为在蒸发空冷中空气携带热量主要是靠增加携湿量带走水的蒸发潜热 而不是靠空气温升显热 从而所需风量远远小于干空冷和湿空冷 而且由于采用光管管束 空气穿过管束的压降小 使风机能耗进一步降低 同时光管外表面水的成膜性好 水的汽化潜热很高 在合理设计下 可达到较高的蒸发冷却效果 水耗很低 与干空冷加后水冷相比 它又省去了后水冷器 固其操作费用很低 3 投资费用低 占地面积小 从结构上看蒸发空冷的最大特点是将冷却塔和列管式水冷器合为一体 从而省去了单独的循环水冷却系统 使一次性投资大大降低 且减少了设备占地面积 而且由于蒸发空冷的传热管为光管 使设备造价进一步降低 4 操作弹性大 可操作性好 因为蒸发空冷主要是靠管外水膜的蒸发而不是靠空气温升来带走管内的大部分热量 所以蒸发空冷对空气入口温度不敏感 同时管内热流体将其热量通过管壁传递给水膜 提高了水膜的温度 同时引风式风机在管束中形成负压 从而增大了管外水膜的蒸发效率 所以它对空气入口湿度也不敏感 因此环境气温 湿度的波动以及季节变化对蒸发空冷的冷却效果影响较小 固蒸发空冷的操作弹性大 适用地区广 可操作性好 第二节结构型式 一 国内典型结构型式及其特点二 国外典型结构型式及其特点 一 国内典型结构型式及其特点 一 典型结构型式国内企业 兰州石油机械研究所 开发研制的蒸发空冷的典型结构如图 4所示 它主要由以下部件组成 1 位于设备顶部的引风式风机 2 位于风机下方的除雾器 3 位于除雾器下方的喷淋水分配器 4 位于喷淋水分配器下方的光管管束 5 位于光管管束下方的构架与水箱 6 喷淋水输送管线与管道泵 上述前五个部件之间均采用翻边法兰螺栓连接 各连接面之间均采用橡胶板和密封胶进行密封 以防漏风 漏水 图 4 国内蒸发空冷典型结构示意图 蒸发空冷一般适用于各种温度低于80 的低温位工艺流体的冷却和冷凝 它可使工艺流体出口温度冷到接近环境湿球温度 如果工艺流体入口温度高于80 在管束入口段管壁温度过高 使管外表面水膜容易结垢 增加了传热传质阻力 会降低蒸发空冷的传热效率 为此 当工艺流体入口温度高于80 时 将蒸发空冷中的除雾器用翅片管代替 使高温位热流体先流经翅片管束预冷到80 以下再进入光管管束进行冷却或冷凝 使翅片管管束起到既冷却又除雾的双重作用 从而扩大了蒸发空冷的适用范围 并增加了传热面积 与干式和湿式空冷器相比 蒸发空冷具有以下优点 1 传热效率高 冷却效果好 所需传热面积小 结构紧凑 因为蒸发空冷的管外传热是由管壁 水膜间的强制对流传热和水膜 空气间的直接接触蒸发传质传热两步完成 而水具有很高的汽化潜热 从而大大强化了管外表面的传热强度 其传热强度远远大于管壁 空气间的对流传热 使蒸发空冷的总体传热效率远远大于干式和湿式空冷 固其所需传热面积小 结构紧凑 而且蒸发空冷可直接将管内热流体冷到较低温度 40 以下 而不再需要后水冷器 在合理设计下可使管内热流体出口温度冷到接近环境湿球温度 固其冷却效果好 同时解决了干空冷为了获得较低冷却冷凝温度而必须配带后水冷器的问题 2 能耗和水耗小 操作费用低 因为在蒸发空冷中空气携带热量主要是靠增加携湿量带走水的蒸发潜热 而不是靠空气温升显热 从而所需风量远远小于干空冷和湿空冷 而且由于采用光管管束 空气穿过管束的压降小 使风机能耗进一步降低 同时光管外表面水的成膜性好 水的汽化潜热很高 在合理设计下 可达到较高的蒸发冷却效果 水耗很低 与干空冷加后水冷相比 它又省去了后水冷器 固其操作费用很低 3 投资费用低 占地面积小 从结构上看蒸发空冷的最大特点是将冷却塔和列管式水冷器合为一体 从而省去了单独的循环水冷却系统 使一次性投资大大降低 且减少了设备占地面积 而且由于蒸发空冷的传热管为光管 使设备造价进一步降低 4 操作弹性大 可操作性好 因为蒸发空冷主要是靠管外水膜的蒸发而不是靠空气温升来带走管内的大部分热量 所以蒸发空冷对空气入口温度不敏感 同时管内热流体将其热量通过管壁传递给水膜 提高了水膜的温度 同时引风式风机在管束中形成负压 从而增大了管外水膜的蒸发效率 所以它对空气入口湿度也不敏感 因此环境气温 湿度的波动以及季节变化对蒸发空冷的冷却效果影响较小 固蒸发空冷的操作弹性大 适用地区广 可操作性好 二 结构特点 国内开发研制的蒸发空冷的典型结构具有以下特点 1 采用引风式轴流风机 其优点是风机风量大 而且引风式风机向上抽吸空气 从而在其下部空间形成负压区域 加速了位于其下方的传热管外表面水膜的蒸发效率 2 除雾器采用双金属轧制型翅片管束 它既能高效除雾 减少喷淋水损耗 又可进行高温介质 高于80 的预冷 从而扩大了蒸发空冷的适用范围 并增加了设备的传热面积 3 喷淋水分配器在设备运行中即可方便的维护 清洗 更换喷嘴 而且其喷淋水管线均采用不锈钢管 喷嘴采用聚氯乙烯材料制成 并且将喷嘴安装在喷淋支管的上部 从而有效地减少了喷嘴堵塞的可能性 4 管束一般采用丝堵式组焊矩形管箱 特殊情况时也可采用可拆卸盖板式组焊矩形管箱 管束由水平布置的单根光管组成 管子与管箱的连接型式采用强度胀 强度焊或胀焊并用 5 构架与水箱连成一体 下部为水箱 上部为带有百叶窗的进风口 且其四周均为进风口 同时构架又作为风机 除雾器 喷淋水分配器及光管管束的支撑体 在管束下部四周设置了挡水板 在水箱上部四周设置了收水槽 从而减少了喷淋水外溅造成的水损失或对设备周围平台的溅水 构架与水箱的底部带有安装底座 只需在基础上预置地脚螺栓即可进行设备安装 6 喷淋水输送系统由二条管线和二台管道泵组成 它们由喷淋水分配器端部的横向主水箱连通 二条输水线在设备工作时一开一闭 以便确保设备运行时喷淋水分配器正常工作 横向主水管两端设置了控制阀 在输水线立放的主水管底部设置了放空口 这样可保证在冬季时设备的备用泵管线内喷淋水能够放空 以免冻裂水管和备用泵 一 国外典型结构型式及其特点 国外企业 德国GEA公司 美国FES公司和B A C公司 开发研制的蒸发空冷的典型结构如图 5所示 它主要有以下部件组成 1 位于设备底部侧面的鼓凤式风机 2 位于设备顶部的除雾器 3 位于除雾器下方的喷淋水分配器 4 位于除雾器下方的光管管束 5 位于光管管束下方的水箱 收水盘 6 喷淋水输送管线与管道泵 图 5 国外蒸发空冷典型结构示意图 二 结构特点 1 国外开发研制的蒸发空冷大部分采用鼓风式离心风扇 从设备底部一个侧面鼓风 空气阻力大 而且进风口只有一面 其风量小 也有少数采用类似凉水塔那样的结构 2 除雾器由许多等间距布置的波形板组成 其除雾效果差 在安装中无法确保波形板均为等间距布置 水耗 能耗大 而且制造 安装 维护均不方便 3 喷淋水分配器是固定的 在设备运行中无法清洗 喷淋水管线一般为碳钢管 易生锈 而且喷嘴安装在喷淋支管的下部 喷淋水中的泥沙等杂质易聚积在水管底部 喷嘴易堵塞 一旦喷淋水分配器的喷嘴堵塞 传热管外表面无法完全被湿润 则设备冷却能力大大下降 势必会造成设备停车检修 4 国外开发研制的蒸发空冷大部分采用集合管式管箱 管束由水平蛇形盘管组成 管子与管箱的连接型式只能采用强度焊 一旦有一根管子出现泄露 则设备必须停车来更换其整个管束 而且由于采用集合管式管箱 在集合管上最多只能水平焊接二排管子 所以其管程布置困难 管程压降较大 5 只有一条喷淋水输送管线和一台管道泵 一旦该泵出现故障 会使设备的冷却效果很差 会造成设备停车检修 第三节设计 一 基本假设二 数学模型三 传热 传质方程和能量平衡方程及其边界条件四 设计要求 一 基本假设 由于蒸发空冷的传热和传质过程较复杂 要精确算出各流体的流动 温度和浓度分布是及其困难的 为了使问题达到可进行数学处理的程度 必须作适当的简化 1 假设ha ka Ca近似成立 则空气 水交界面与空气流间的热流量可用湿空气热焓差来表示 2 由于喷淋水蒸发量与其循环量相比很小 仅占其循环量的1 2 故在能量平衡计算中忽略水的蒸发量 且不记输送引起的水损失和排水损失 即认为在蒸发空冷中喷淋水流量不变 3 管束具有均匀完整的表面润湿 4 蒸发空冷中干空气流量不变 且在其各横截面上空气流速均匀 5 在蒸发空冷中各传热系数 传质系数保持为常数 从试验中获得的hrw和ka值是给定几何形状的平均值 忽略实际存在的喷淋水进入和排出的影响 二 数学模型 图 7 蒸发空冷温度分布示意图 图 6 蒸发空冷热量传递示意图 如图 6 14 所示 在蒸发空冷中热量传递是从管内流体经过管壁传递到管外表面喷淋水膜中 再从喷淋水膜传递给空气流 从喷淋水向空气的热传递是由水膜与空气流之间的直接接触蒸发传质传热和水膜与空气流之间的强制对流显热传热共同完成的 蒸发空冷的典型温度分布如图 7 14 所示 在其顶部 由于工艺流体与喷淋水之间具有较大温差 从而具有较高的传热速率 喷淋水被工艺流体迅速加热 工艺流体迅速降温 水温迅速接近工艺流体温度 相对来说由于水的蒸发引起的能量传递较低 而在其余部分 喷淋水和工艺流体均被冷却 因为这时的冷却过程是由喷淋水与空气流间的传质过程控制 工艺流体温度下降相对缓慢 循环水温度升到最高后与工艺流体一起被空气冷却 最终恢复到它的进口温度 空气由下而上流动 它一方面吸收了水的热量 一方面使水蒸发而形成饱和湿空气 它的温度和热焓逐渐上升 文献 3 提出了用管内工艺流体与管外表面喷淋水之间的总传热系数U以及管外表面喷淋水与空气流之间以热焓差为推动力的总传热系数koa来描述蒸发空冷的传热 传质的数学模型 本文以下均采用该模型来推导蒸发空冷的传热 传质方程 在蒸发空冷的设计中 使用一维单元的工艺流体 喷淋水和空气的适当的传热方程 传质方程和能量平衡方程的组合 虽然工艺流体管子的交叉布置用二维分析方法更为可靠 但这会使其方程设计相当复杂 而计算精度几乎没有提高 则认为一维单元分析是足够精确的 三 传热 传质方程和能量平衡方程及其边界条件 如图 6和图 7所示 令蒸发空冷中各流体温度 热焓的变化均以沿其顶部向其底部方向增加为正 在蒸发空冷的一维单元模型中取出任意一个微元段dA来进行传热 传质分析可得 管内工艺流体释放的热量 空气吸收的热量为 根据