增膜型空冷器技術(shù)簡介

1、增膜型新一代高效空冷器簡 介在煉油、化工、電力、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)工藝中，若需要把熱流體的溫度降下來，但熱流體溫度不足以加熱另一工藝流體，或不需要加熱另一工藝流體時(shí)，用空冷器來降低熱流體溫度是最經(jīng)濟(jì)的?？绽淦饕原h(huán)境空氣為冷卻介質(zhì)，可對(duì)熱流體進(jìn)行冷卻或冷凝。1. 常規(guī)空冷器的類型、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍常規(guī)空冷器可分為干式空冷器、濕式空冷器和蒸發(fā)式空冷器，它們都是通過管束換熱。1.1 干式空冷器a. 空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，加熱比較困難，需要較大的溫差才能將熱量傳給空氣，所以干空冷適用于熱流體出口溫度較高的場(chǎng)合。一般熱流體出口溫度高于55方可考慮采用干空冷。b. 干式空冷器不消耗水資源，適用于缺水地區(qū)。c.

2、 為強(qiáng)化空氣側(cè)的傳熱，干空冷多采用翅片管作為主要換熱部件。翅片增大了換熱面積，同時(shí)也增大了風(fēng)阻力，因此干空冷的管排數(shù)較少。干式空冷器管排數(shù)從上到下一般為8排，熱流體的處理量比較小。1.2 濕式空冷器 與干空冷一樣，濕空冷利用空氣和熱流體的溫差作為換熱推動(dòng)力，因此熱流體溫度越高，換熱效果越好。與干空冷不同之處是，濕空冷在空氣入口后噴水霧，水霧蒸發(fā)降低了空氣的溫度，增大了空氣和熱流體的溫差，所以冷卻效果比干空冷好。對(duì)濕空冷來說，熱流體出口溫度可比干空冷的低一些。1.3 蒸發(fā)式空冷器蒸發(fā)式空冷器如圖1所示。其主要特點(diǎn)是，利用管外水膜的蒸發(fā)強(qiáng)化管外傳熱。其工作過程是，用泵將空冷器下部水箱中的循環(huán)冷卻水

3、輸送到噴淋管，噴向位于其下方的換熱管表面，使管外形成連續(xù)均勻的薄水膜；同時(shí)位于空冷器上部的引風(fēng)機(jī)將空氣從水箱之上的百葉窗吸入，使空氣自下而上流動(dòng)，橫掠水平放置的光管管束。此時(shí)傳熱管的管外換熱除了水膜與空氣流之間的顯熱傳遞外，管外表面水膜的迅速蒸發(fā)吸收了大量熱量，強(qiáng)化了管外傳熱。故其工作過程不是單一的傳熱，而是通過傳質(zhì)（水膜蒸發(fā)，水分子進(jìn)入空氣）來強(qiáng)化傳熱。圖1 蒸發(fā)空冷示意圖1風(fēng)機(jī)，2捕霧器，3U型彎管，4噴淋系統(tǒng)，5換熱管束，6上水管，7構(gòu)架水箱，8循環(huán)水泵管外水膜的蒸發(fā)使得空氣穿過管束后濕度增加，風(fēng)機(jī)將濕空氣從管束中抽出并使其穿過噴淋管上方的捕霧器，除去飽和濕空氣夾帶的水滴后從設(shè)備頂部風(fēng)機(jī)

4、出口排入大氣。由于頂部引風(fēng)機(jī)的作用，風(fēng)機(jī)下部形成負(fù)壓，有利于管外表面水膜的蒸發(fā)和傳熱?？刂扑ず穸仁钦舭l(fā)式空冷器的關(guān)鍵技術(shù)。水膜越薄蒸發(fā)傳熱效果越好，但是太薄的水膜易破，反而影響傳熱。為了更好地形成水膜，多采用光管作為傳熱元件。光管的風(fēng)阻力比翅片管的小，管排數(shù)可達(dá)30排，因此蒸發(fā)空冷器的處理量比干空冷和濕空冷大得多。占地面積相同時(shí)，蒸發(fā)空冷的熱流體處理量可達(dá)干空冷的兩倍之多。從結(jié)構(gòu)上看，蒸發(fā)空冷將冷卻塔和列管式水冷器合為一體，自帶循環(huán)水系統(tǒng)，減少了占地面積；采用光管換熱，大大降低了設(shè)備的一次性投資；光管阻力小，風(fēng)機(jī)負(fù)荷相應(yīng)降低。蒸發(fā)空冷一般適用于80以下低溫位熱流體的冷卻和冷凝。若熱流體流速較

5、低，則其出口溫度可冷到接近環(huán)境濕球溫度。1.4. 板式空冷器板式空冷器結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小。與常規(guī)空冷器相比，在熱流體處理量相同，則或者說體積相同時(shí)，板式空冷器的換熱面積大。 在板式空冷器中，板式干空冷和板式濕空冷不用考慮水膜及其噴淋問題，結(jié)構(gòu)可以緊湊些，而且可用波紋板來強(qiáng)化傳熱。而板式蒸發(fā)空冷器因?yàn)橐紤]水膜形成，就不能使用波紋板；要考慮噴淋水循環(huán)和空氣流動(dòng)方向等因素，結(jié)構(gòu)上也不可能太緊湊。故板式蒸發(fā)空冷器與常規(guī)蒸發(fā)空冷器相比，優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)沒有板式干空冷相對(duì)于常規(guī)干空冷那么明顯。2. 現(xiàn)有蒸發(fā)空冷器存在的問題縱觀空冷器乃至換熱器的發(fā)展歷史，各種改進(jìn)措施，各種新原理、新技術(shù)都是奔著“強(qiáng)化傳熱”而來的

6、，不同的只是傳熱被強(qiáng)化的程度和應(yīng)用場(chǎng)合。所以說“強(qiáng)化傳熱”是永無止境的。另外，不同結(jié)構(gòu)型式的空冷器各有所長，各有其適用范圍。若能兼收并蓄，各取所長，則也可收到“強(qiáng)化傳熱”的效果。分析現(xiàn)有蒸發(fā)空冷器，存在著如下問題或可改進(jìn)的地方：2.1 常規(guī)蒸發(fā)空冷器換熱面積不夠大按單位熱流體處理量計(jì)，常規(guī)蒸發(fā)空冷的傳熱面積沒有板式蒸發(fā)空冷器的大。2.2 板式空冷器的承壓能力不太高比如加氫精制反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入空冷器的壓力為89MPa，這是板式空冷器絕對(duì)承受不了的。2.3 板式空冷器清洗檢修維護(hù)不太方便2.4 以前蒸發(fā)空冷的計(jì)算模型準(zhǔn)確性差管外傳熱既有對(duì)流方式的顯熱傳熱，也有蒸發(fā)傳質(zhì)引起的潛熱傳熱；既有噴淋水向下流動(dòng)

7、，又有空氣向上流動(dòng)；既有水淋到管子上的成膜過程，又有管子上滴下來的水形成水柱和水滴的過程。既有管外表面的水膜傳熱，又有水柱和水滴的傳熱。既有水溫和空氣溫度的變化，也有空氣濕度和蒸汽分壓的變化。如此多樣化的流動(dòng)相變傳質(zhì)傳熱過程，其數(shù)學(xué)描述極其復(fù)雜。由于技術(shù)進(jìn)步階段性的限制，以前為避免數(shù)學(xué)模型無法求解，就將流動(dòng)相變傳質(zhì)傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型做了極大的簡化和過強(qiáng)的假設(shè)，以致模型與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還是較多地依賴經(jīng)驗(yàn)，談不上準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)2.5 管外結(jié)垢較嚴(yán)重調(diào)研了石化廠和鋼廠使用蒸發(fā)空冷的情況，普遍存在管外結(jié)垢，嚴(yán)重影響換熱的問題。有的運(yùn)行幾個(gè)月，空冷效果就不能滿足工藝需求了，就得

8、停車清洗兩天。2.6 管子腐蝕穿孔調(diào)研了石化廠和鋼廠使用蒸發(fā)空冷的情況。在“大氣水”這樣的環(huán)境下，如果使用普通碳鋼管，比如10號(hào)鋼管，不到一年就出現(xiàn)管子腐蝕穿孔，管內(nèi)介質(zhì)泄漏的情況。3. 增膜型新一代高效空冷器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)增膜型新一代高效空冷器是在常規(guī)蒸發(fā)空冷器的基礎(chǔ)上，吸收了板式空冷的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行重大改進(jìn)而開發(fā)出來的新一代空冷器。重大改進(jìn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：3.1 強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱技術(shù) 采用圖2所示的增膜板增加水膜面積，強(qiáng)化噴淋水與空氣的換熱。圖2 帶有增膜板的換熱管束示意對(duì)常規(guī)蒸發(fā)空冷器，由于表面張力的作用，噴淋水在管子上形成水膜，與空氣傳質(zhì)傳熱的面積較大。噴淋水從管子上落下來后，同樣由于表面張力

9、的作用，將自動(dòng)變成水柱和水滴，與空氣傳質(zhì)傳熱的面積大大縮小。如圖2所示，加了增膜板后，噴淋水從管子上落到板子上。由于增膜板與水的潤濕性很好，所以落到板上的水會(huì)自然沿增膜板兩個(gè)側(cè)面鋪展開來，從而實(shí)現(xiàn)增加水膜面積、強(qiáng)化蒸發(fā)的目的。水膜向下流動(dòng)至增膜板下邊緣后，滴落在下一層換熱光管上。增膜板上的噴淋水在下落過程中，有一部分蒸發(fā)進(jìn)入空氣，帶走大量熱量，從而使噴淋水的溫度下降。溫度下降后的噴淋水又落在下一層管子上，使得下一層管子內(nèi)外溫差擴(kuò)大，有利于管內(nèi)熱流體更快地向外傳遞熱量，從而增強(qiáng)了蒸發(fā)空冷器的傳熱能力。蒸發(fā)空冷器常用的光管外徑25mm，光管周長p×2578.5mm，同一豎軸線上垂直管間距

10、82mm，增膜板高度取0.9×8274mm。忽略增膜板厚度，則增膜板截面周長為2×74148mm，是光管周長的1.88倍。根據(jù)不同的熱負(fù)荷初步計(jì)算，使用增膜板后，換熱量將擴(kuò)大50%80% （平均65%）。即使用增膜板后，蒸發(fā)空冷的換熱量是常規(guī)空冷器的1.65倍，換熱效果顯著增強(qiáng)。注：增膜板技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國家專利，申請(qǐng)?zhí)枮?00620098211.4。 換熱管內(nèi)插入螺旋，強(qiáng)化向外傳遞熱量。根據(jù)流動(dòng)與傳熱的場(chǎng)協(xié)同理論，插入螺旋桿或螺旋帶，則管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生徑向分速，可強(qiáng)化熱量從中心向管壁的傳導(dǎo)。插入螺旋本身可增大湍流度，強(qiáng)化管內(nèi)的對(duì)流傳熱。管內(nèi)的螺旋流動(dòng)對(duì)管內(nèi)結(jié)垢還有抑制作用。優(yōu)化過

11、風(fēng)通道從進(jìn)風(fēng)的百葉窗到風(fēng)機(jī)的排風(fēng)筒都是過風(fēng)通道，對(duì)其每一段都可建立幾何模型和流動(dòng)模型，并用大型數(shù)值仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)。常規(guī)蒸發(fā)空冷器進(jìn)風(fēng)百葉窗又稱擋水板。圖3左邊的擋水板乃常規(guī)擋水板，其作用是讓濺起的水仍落入水箱，但卻讓進(jìn)風(fēng)方向先朝下，再轉(zhuǎn)個(gè)急彎向上，使得風(fēng)阻增大，且不能完全防止水濺出。圖3右邊的擋水板乃改進(jìn)擋水板，進(jìn)風(fēng)方向朝上，不轉(zhuǎn)急彎，風(fēng)阻較小，則風(fēng)速可提高，可強(qiáng)化對(duì)流傳質(zhì)與傳熱。除此之外，改進(jìn)擋水板還能擋陽光，擋落物等。圖3 現(xiàn)有擋水板與改進(jìn)擋水板示意注：改進(jìn)擋水板技術(shù)正在辦理申請(qǐng)國家專利手續(xù)。3.2 傳質(zhì)傳熱準(zhǔn)確計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)建立盡可能符合客觀實(shí)際的傳質(zhì)傳熱模型圖4 管外傳熱物理模型 由

12、于技術(shù)進(jìn)步階段性的限制，以前的計(jì)算模型過于簡單和粗略。此次技術(shù)開發(fā)將根據(jù)空冷器中多種傳質(zhì)傳熱方式并存的復(fù)雜情況，建立盡可能符合客觀實(shí)際的傳質(zhì)傳熱模型。圖4所示為管外水膜傳熱的物理模型，管外是一層水膜，水膜之外是一層飽和蒸汽膜，蒸汽膜之外是向上流動(dòng)的空氣與蒸汽。管外既有對(duì)流顯熱傳熱，又有水膜蒸發(fā)水蒸汽進(jìn)入空氣攜帶的潛熱傳熱。其傳熱計(jì)算比較復(fù)雜。圖5 叉排管水膜分流模型 圖5所示為交叉排列的換熱管上水膜分流情況。水流較大時(shí)，可以看到，管子上的水一部分沿著管子斜沖下去，還有一部分沿著管壁流到最低點(diǎn)。這兩部分水分流處的角度為b。管外水流量越大，則分流前的水膜越厚，熱阻越大。同時(shí)管外水流量越大則分流越早

13、，分流角b越小。一般而言，最大分流角為900。對(duì)于圖中的第三層管子來說，其壁面上的水可來自其上的兩層管子。而不是緊鄰的一層管子。圖6 增膜板傳質(zhì)傳熱模型隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，從上到下各層管子的水量是逐漸減小的，分流角是逐漸增大的。各層管子分流前后管壁水膜厚度及傳熱熱阻是不同的，管壁上的水膜主要是吸收管內(nèi)熱量向空氣傳質(zhì)和傳熱。而分流后自由下落的水流與空氣的傳質(zhì)傳熱則取決于水流與空氣流的溫差和蒸汽分壓?？梢姴媾殴芩し至鞯膫髻|(zhì)傳熱模型是相當(dāng)復(fù)雜的。圖6所示為增膜板傳質(zhì)傳熱模型。與上同理，上層增膜板的水膜厚一些，下層增膜板的水膜薄一些。故增膜板上的水膜熱阻是不相同的。但相對(duì)來說增膜板的傳質(zhì)傳熱模型比管壁水

14、膜的略簡單一些。自由下落的水柱與水滴的傳質(zhì)傳熱模型與上面的模型也不盡相同。我們認(rèn)為，只有流動(dòng)與傳熱的物理模型盡可能地切合實(shí)際，建立的數(shù)學(xué)模型也才有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。 準(zhǔn)確計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)中非線性問題的最新研究成果和大型數(shù)值計(jì)算仿真分析軟件，可對(duì)客觀復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱模型進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，并進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.3 改進(jìn)除垢方式 噴淋水量大于完全蒸發(fā)水量，減少管外壁的沉積。按鹽分濃縮規(guī)律和蒸發(fā)量準(zhǔn)確計(jì)算和確定噴淋水量，使其大于完全蒸發(fā)水量。比完全蒸發(fā)多出來的水量用于帶走污物和鹽分，減少在管壁的沉積。脈沖水流在線除垢電磁在線除垢或超聲波在線除垢有兩個(gè)效果，一是減少污垢，二是可使管壁上的

15、污垢疏松或呈粥狀。這樣我們就可以用脈沖水流來在線沖刷疏松的新垢。比如每運(yùn)行8小時(shí)，就用大水流將管束沖刷5分鐘，將疏松的新垢和粥樣污垢沖刷掉，以盡量維持管子較高的傳熱系數(shù)。注：脈沖水流在線除垢技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國家專利，申請(qǐng)?zhí)枮?00620098210.x。3.4 采取抗腐蝕措施，確保使用周期采用滲鋁鋼換熱管或硅鋁共滲鋼換熱管，可大大提高換熱管的耐蝕能力。 硅鋁共滲鋼換熱管使用壽命為510年，保證煉油裝置的一個(gè)長周期運(yùn)行不成問題。3.5 改進(jìn)噴淋系統(tǒng)3.5.1 采用矩形噴頭代替圓形噴頭，增大噴淋的可控性常規(guī)蒸發(fā)式空冷器多采用圓形噴頭，其噴灑區(qū)域是圓形，如圖7所示。 圓形噴頭的噴淋區(qū)域 矩形噴頭的噴淋區(qū)

16、域圖7 不同噴頭噴淋區(qū)域比較蒸發(fā)式空冷器的換熱管束是矩形，由圖7可見，圓形拼接成矩形時(shí)，要么有重疊區(qū)，要么有縫隙。重疊區(qū)噴淋量過大，水膜過厚，熱阻大?？p隙區(qū)沒有噴淋水膜，不能蒸發(fā)傳熱。如圖7所示，采用矩形噴頭則可無縫隙、無重疊地覆蓋整個(gè)管束，增強(qiáng)了噴淋區(qū)域的可控性。3.5.2 采用分管程噴淋常規(guī)蒸發(fā)空冷器中，噴淋水全從管束上方噴淋下來，致使管束上部水量過大，水膜過厚，熱阻過大。本次技術(shù)開發(fā)將采取分管程噴淋的方法，使上部水量不至于過大，使各管程的噴淋水按照設(shè)計(jì)參數(shù)盡可能充分蒸發(fā)。注：分管程噴淋技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國家專利，申請(qǐng)?zhí)枮?00620099131.0。3.5.3 按熱負(fù)荷的面密度來優(yōu)化噴淋水的覆

17、蓋密度換熱管內(nèi)熱流體溫度沿流動(dòng)方向是逐漸降低的，管外噴淋水膜的溫度也是逐漸降低的。從管束的俯視面來看，管束各處熱負(fù)荷的面密度不可能是均勻的。那么噴淋水的蒸發(fā)量隨管束位置的不同而不同，所以噴淋水的面密度也不應(yīng)該是均勻的。根據(jù)計(jì)算出來的管束熱負(fù)荷面密度和噴淋水面密度，在不同位置采用不同型號(hào)的噴頭，這樣可將噴淋水量盡可能調(diào)整到符合噴淋水面密度，以達(dá)到最優(yōu)噴淋，將管束換熱能力發(fā)揮到極致的目的。安裝在噴淋水管入口處流量調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)進(jìn)入噴淋水管的總流量，達(dá)到優(yōu)化控制噴淋量的目的。注：匹配熱負(fù)荷面密度的噴淋技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國家專利，申請(qǐng)?zhí)枮?00620099130.6。3.6 本次技術(shù)開發(fā)擬采用的其它獨(dú)創(chuàng)技術(shù)

18、3.6.1旋轉(zhuǎn)脈沖噴頭脈沖水流擬采用旋轉(zhuǎn)噴頭噴出。噴頭旋轉(zhuǎn)，則覆蓋區(qū)域大，所需的噴頭數(shù)少，每個(gè)噴頭噴出的水流量就大，沖刷污垢的效果就好。3.6.2 改進(jìn)捕霧器采用稀疏翅片管代替S型或Z型捕霧器，既能捕霧，又能換熱。3.6.3改進(jìn)風(fēng)機(jī)固定方式將風(fēng)機(jī)原固定方式（固定在風(fēng)筒內(nèi)壁上）改為風(fēng)機(jī)直接固定在構(gòu)架上，增大風(fēng)機(jī)支承剛度，減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)和故障率。3.6.4 改進(jìn)構(gòu)架方式增膜型新一代高效空冷器將采用模塊式結(jié)構(gòu)代替整體式焊接結(jié)構(gòu)，便于維修和更換零部件。3.7 本次技術(shù)開發(fā)擬采用的其它先進(jìn)技術(shù)用活動(dòng)管箱代替固定管箱，減小管束軸向熱應(yīng)力。用波紋管進(jìn)行熱補(bǔ)償。還將采用管箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速、熱負(fù)荷自適應(yīng)控

19、制等技術(shù)。 4. 增膜型新一代高效空冷器技術(shù)開發(fā)特點(diǎn)歸納4.1 全面：找出問題，全面改進(jìn)4.2 突破：抓住關(guān)鍵，重點(diǎn)突破4.3 集成：獨(dú)創(chuàng)的核心技術(shù)與已有的先進(jìn)技術(shù)集成起來，構(gòu)成領(lǐng)先技術(shù)4.4技術(shù)實(shí)現(xiàn)模式： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工業(yè)應(yīng)用5. 增膜型新一代高效空冷器三維結(jié)構(gòu)圖高效空冷器的三維結(jié)構(gòu)圖6. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)玉門煉廠酮苯脫蠟裝置氨冷凝冷卻系統(tǒng)的一臺(tái)ZP9×3蒸發(fā)空冷與該裝置原來的2片P9×3干空冷加6臺(tái)LN-175后水冷的經(jīng)濟(jì)性比較見下表。 設(shè)備名稱 項(xiàng) 目蒸發(fā)空冷一臺(tái)ZP9×3干空冷加后水冷一臺(tái)2片P9×3干空冷加6臺(tái)LN-175后水冷設(shè)備總造價(jià)（萬元）8294.28操作費(fèi)能耗風(fēng)機(jī)能耗（kw）4580水泵能耗（kw）1590合 計(jì)（