淺析表面蒸發(fā)式空冷器

郭俊峰 尤燁龍

（西安喜而沃化工機械設備有限公司，陜西 西安 710032）

空冷器作為石油化工、煉油、冶金、電力、制冷、輕工、印染等過程設備中的一個重要冷換設備，目前已被廣泛應用?？绽淦鞯膬?yōu)點很多，如減少污染、節(jié)約能源、不受選址限制等?？绽淦靼蠢鋮s方式分為干式空冷器、濕式空冷器、干濕聯(lián)合空冷器[1-4]。其中，表面蒸發(fā)式空冷器為濕式空冷器的一種，在石油化工領域應用較多，主要是干式空冷器不能滿足換熱效果的補充應用。隨著技術的改進和發(fā)展，表面蒸發(fā)式空冷器越來越多地應用在各個領域，以減少或者替代管殼式換熱器。

表面蒸發(fā)式空冷器對介質出口溫度接近當地最高溫度的空冷器尤為明顯，其可以利用水的汽化潛熱帶走大量的熱量，從而得到更好的換熱效果。當介質進口溫度高于80℃時，可以先讓表面蒸發(fā)空冷器的干式空冷器部分進行預冷卻，使其進入光管換熱時其溫度在80℃以下，這樣能有效減少噴淋水對光管的結垢影響[5]。

1 表面蒸發(fā)式空冷器運行原理

表面蒸發(fā)式空冷器的運行原理是空氣經下部的進風百葉進入設備內部，在引風式風機的強力作用下，冷空氣自下向上流動，離心水泵將噴淋水送至光管上部的噴淋裝置中，再由噴嘴將水均勻地噴到光管外表面上，形成水膜，光管內的高溫介質與管外的噴淋水及空氣進行熱交換，軸流風機強制空氣以5m/s～7m/s 的速度通過換熱管外表面，管內高溫介質逐漸被冷卻，管外噴淋水蒸發(fā)帶走熱量，使部分噴淋冷卻水變成水蒸汽，水蒸汽穿過噴淋系統(tǒng)上方的收水器（捕霧器），除去濕空氣中夾帶的水滴后從風機出口排入大氣。同時在軸流風機的作用下，使換熱管處形成負壓區(qū)，進一步加速管外水膜的蒸發(fā)，加快管外傳熱，從而提高了機組的換熱效果。未被蒸發(fā)的水在下落的過程中被空氣冷卻，并均勻下落到水箱中再次循環(huán)使用。進水閥自動補充水箱內的冷卻水，使其保持一定的水位，保證正常循環(huán)進行[6-7]。

對于介質入口溫度高于80℃的產品設計時，須在噴淋與風機之間設計干式空冷器，進行預冷卻以解決由于溫度過高而引起光管結垢的問題。翅片管采用低翅管，管排數4～6排較為合適，加上捕霧器，其收水效果更為明顯，同時達到消白的目的。介質先進入上部的翅片管束，進行預冷卻，再進入下部的光管管束進行蒸發(fā)冷卻。以保證其最大程度地節(jié)約資源，使降溫后的濕空氣進入上部翅片管外表面，將介質進行冷卻。

2 結構特點

表面蒸發(fā)式空冷器按其結構特點可以分為兩種：一種為絲堵式表面蒸發(fā)空冷器，也叫直管式表面蒸發(fā)式空冷器，簡稱蒸發(fā)冷；另外一種是復合型表面蒸發(fā)式空冷器，也叫U 型管表面蒸發(fā)式空冷器，簡稱復合冷。

2.1 絲堵式表面蒸發(fā)空冷器

絲堵式表面蒸發(fā)空冷器的管箱為矩形絲堵式結構，換熱管為直管，每根管的兩端對應處設置絲堵作為密封。從下向上依次布置：水箱、進風百葉、光管管束、噴淋水管、捕霧器、翅片管管束、引風式風機。對光管管束，其換熱管為碳鋼時，須對換熱管進行熱侵鋅防腐處理，以增加設備的使用壽命[4]。這樣能解決光管95%的防腐要求，但對于管板附近的換熱管外表面不能很好地處理，如果整根換熱管做鍍鋅處理，與管板連接處因為有鍍鋅層，脹接或焊接均容易產生泄露。

這種蒸發(fā)式空冷器有較高的綜合效益，在蒸發(fā)段光管管束上可以布置較多的換熱管，使得這種空冷器的結構更為緊湊。管箱采用方箱絲堵式管箱（特殊介質時也可采用可拆卸蓋板式組焊矩形管箱），根據其壓力損失、流速大小、換熱效果可以自由分配管程數，已達到最佳設計使用效果。同時，絲堵式管箱方便以后的檢修。對于單根換熱管的管頭泄露，只需打開相對應的絲堵，對其進行脹接或焊接即可；對于單根換熱管中間部分腐蝕泄露，可卸下對應的絲堵，用堵頭將管子兩頭堵住，不讓介質流通次換熱管即可。一般在設計的富余量允許下都可以進行堵漏。在設計時還可以將噴淋管與下部的光管側梁做成一體，以減少在運行過成過程中的水泄露。

其實有翅片管束的表面蒸發(fā)式空冷器可作為另外一種干濕聯(lián)合空冷器來對待，翅片管作為干式預冷卻管束。翅片管管束一般設計成一管程，也可以為多管程，翅片管位低翅（翅高12.5mm）雙金屬軋制，由于雙金屬型翅片管的軋片管與基管緊密配合，完全克服了L 型翅片管由于對基管外表面覆蓋不嚴而造成的結垢和電化學腐蝕的缺點。顯著提高了換熱效率，延長了使用壽命。翅片間距大于2.8mm 翅片管，這樣設計為了引風式風機的一定的穿透力，保證其設計空氣側的流速為5m/s～7m/s，翅片管一般設計成4～6 排管，這樣翅片管還有一個捕霧器的作用（見圖1）。讓自下而上的濕熱空氣，將水蒸汽阻擋在設備內部，繼續(xù)循環(huán)，從而減少耗水量。翅片管束的介質出口法蘭端即為光管管束的進口端，兩者之間用U 型接管連接。介質的進出口法蘭均在設備的兩側。

圖1 絲堵式表面蒸發(fā)空冷器

構架與水箱連成一體，下部為水箱，上部為帶有百葉窗的進風口，且其四周均為進風口；同時水箱作為風機、除霧器、噴淋水分配器及光管管束的支撐體。在管束下部四周設置了擋水板，在水箱上部四周設置了收水槽，從而減少了噴淋水外濺造成的水損失或對設備周圍平臺的濺水。水箱的底部帶有安裝底座，只需在基礎上預置地腳螺栓即可進行設備安裝。

噴淋水輸送系統(tǒng)由兩條管線和兩臺管道泵組成，兩套噴淋送水系統(tǒng)在設備的兩側，它們與噴淋水分配器端部的橫向主水箱連通，二條噴淋系統(tǒng)在設備工作時一用一備，以便確保設備運行時噴淋水分配器正常工作；橫向主水管兩端設置了控制閥，在水箱底部設置了排污口，這樣可保證在冬季時設備的備用泵管線內噴淋水能夠完全排放干凈，以免凍裂水管和備用泵。

2.2 復合型表面蒸發(fā)式空冷器

復合型表面蒸發(fā)式空冷器實際上就在絲堵式表面蒸發(fā)空冷器的基礎上進行改進，將其絲堵式表面蒸發(fā)空冷器的進出口匯總方型管箱改為圓管管箱，換熱管方向延設備寬度方向布置。由于水流向下沿換熱管流動，而風在引風式風機作用下，向上流動，在換熱管外表面與下降的水呈不同的方向，因此為復合型表面蒸發(fā)式空冷器。

管箱只在介質進（出）口換熱管匯總處設置圓形管箱（也可以根據介質需要設計為半圓管箱、蓋板式管箱等），中間各管程的連接均為U 型彎頭。這樣的設計減少了管箱的高度，同時克服了由于熱脹冷縮引起的各管程熱膨脹量。管箱設置在管束的寬度方向，換熱管直端長度為2.7m，1.5m～2.5m寬度排布換熱管，從而形成模塊化結構，對于碳鋼換熱管在每個模塊制作完畢后先整體進行478℃的熱浸鋅防腐處理，以增加換熱管的使用壽命。根據換熱量的不同，隨意增減模塊即可，1～2 模塊設計1 臺引風式直聯(lián)風機，每個模塊外面用噴塑板包裝，美觀大方[8-9]。

也可以在冷凝盤管上方在設計翅片管束進行介質的預冷卻，翅片管多做加工成鋼帶高頻焊，以便可以整體熱鍍鋅，起到保護翅片管的作用。這樣可以最大化地利用資源，翅片管束與冷凝盤管之間設置噴淋、捕霧器，兩者之間介質進出口用U 型彎頭連接（見圖2）。

圖2 復合型表面蒸發(fā)式空冷器

3 兩種表面蒸發(fā)式空冷器的比較

雖然兩種表面蒸發(fā)式空冷器在運行原理上基本相同，但在具體設計、使用條件等還是有很大的區(qū)別，具體如下：絲堵式表面蒸發(fā)空冷器主要用在石油煉化，如催化裝置、重整裝置、芳烴回收裝置，容易堵塞的介質，這樣每根換熱管的兩端對應的絲堵打開，就可以進行清理；但對進出口溫差大于80℃的介質，需要做成分解管箱，由于管箱質量較大，不宜做分解管箱進行消除熱膨脹產生的應力。這種空冷器的配管相對簡單，單臺設備為兩進兩出，但對于壓降要求不高的工況下，換熱效果不受影響，可以采用該空冷器解決其方便檢修、安裝簡單、黏度較高的介質。

設計壓力在2.5MPa 以上的空冷器，對于絲堵式表面蒸發(fā)空冷器不太適合，方箱型管箱受結構限制，其受力不好，若壓力增大管箱管板厚度大幅度增加，且管板與換熱管必須采用強度焊+貼脹，制作成本會大幅度增加。若采用復合型表面蒸發(fā)空冷器，設計壓力基本不受限制，使用溫度也不受限制，由于中間管程采用U 型換熱管，很好地解決了熱脹冷縮的問題；且空冷器沒有絲堵或者絲堵較少，這樣大大降低了泄露的風險，對于易燃易爆有毒介質尤為合適；但同時其由于換熱管之間均為U 型彎頭連接，一旦有換熱管泄露發(fā)生，須將此整根換熱管（有可能為10 層以上）堵塞，這樣對換熱效果影響較大。U 型管對于流速較高的介質，長時間運行，在U 型彎處會有一定的沖刷，如果再有腐蝕，這樣會影響其使用壽命。每個模塊均為兩進兩出，在減少壓力降方面有很好的優(yōu)勢，但同時大大增加了現(xiàn)場配管工作量[10]。

兩種蒸發(fā)空冷器具有相同的換熱效果，根據具體使用的局限性、制造、占地面積、運行、維修等方面進行對比，具體見表1。

表1 兩種表面蒸發(fā)式空冷器的比較

絲堵式表面蒸發(fā)空冷器的進出口在長度方向兩端（見圖1），受運輸限制，寬度（含管位）不能超過3300mm，在現(xiàn)場須用U 型彎頭連接翅片管管束與光管管束，介質進出口接管均為兩個。整體安裝完成，寬度一般在3500mm，每臺之間須預留檢修通道（1500mm）。噴淋管線及循環(huán)泵、閥門是兩套獨立的系統(tǒng)，一用一備，在寬度方向左右兩側。

復合型蒸發(fā)式空冷器是模塊化設計，整體管束的寬度方向作為模塊的長度方向，模塊的寬度一般設計不大于2500mm，這樣在設計時可以不考慮管束運輸超限問題?，F(xiàn)場安裝完畢后，兩個水泵分別在設備的兩端（長度方向），進出口管線在設備的兩側或單側（寬度方向）。

4 表面蒸發(fā)式空冷器的制造要求

表面蒸發(fā)式空冷器的制造，須嚴格按圖紙設計尺寸制作，并將尺寸誤差控制在允許范圍內。以保證整套表面蒸發(fā)空冷器密封性好、不允許漏水；風機的風筒直徑嚴格按圖紙設計要求進行，直徑偏小，會影響葉片的高速運轉，直徑偏大，會影響風機的使用效果，有可能達不到風機風量的設計要求。

絲堵式表面蒸發(fā)空冷器，其翅片管束、噴淋、光管管束的側梁均由8mm 的鋼板折彎而成，上下用螺栓連接，各部件之間的連接孔間距誤差小于1.5 mm，外形尺寸誤差小于2mm，對角線誤差小于4 mm。兩者相連的部分墊上8mm 的橡膠板，并在橡膠板的上下表面涂上密封膠，以保證水在循環(huán)過程中不向外泄漏。對于光管管束換熱管，其外表面需要熱浸鋅（或噴鋅）防腐處理[11]。

復合型表面蒸發(fā)空冷器，對碳鋼材質換熱器的盤管，在盤管制作完畢后，整體進行478℃的熱浸鋅防腐處理，其外框架的尺寸要求更嚴格，其直線度、對角線誤差不得大于1.5mm，以保證在外側固定包裝板式的準確性。在固定包裝板時，須在包裝板之間、包裝板與冷凝盤管框架接觸面加上40mm×5mm 的密封膠帶，已保證其運行過程中水不會向外泄漏，用M5 帶密封墊的自攻絲將其各個部分全部連接，自攻絲的間距須小于150mm。

5 表面蒸發(fā)式空冷器的安裝及運行

將水箱用地腳螺栓固定在基礎上，把光管管束/盤管模塊放置于水箱上，之間須加密封膠帶。連接噴淋管線，將PVC 噴淋管線連接好后，再用密封膠將其周圍密封，最后將傘型噴淋頭固定于噴淋支管上。安裝捕霧器（收水器）；最后將風筒、風機用螺栓固定于設備最上端。

在安裝時須注意泵、閥門的進、出口方向。若安裝后其空冷器各部件有漏水的地方，須用鋼結構密封膠將其密封。對于較大的地方可以先用發(fā)泡膠或其他合適材料填充，再用密封膠密封?？傊?，安裝完畢后不能出現(xiàn)有漏水的地方，以減少運行過程中水資源的浪費及保證平臺的干燥。

設備在運行時，先開啟噴淋系統(tǒng)，正常工作時水壓應穩(wěn)定0.4MPa 左右，再開啟設備介質閥門，以免由于介質溫度過高，而將PVC 噴淋管及噴頭因為受熱而損壞。但隨環(huán)境變化及處理量波動時，可通過浮球閥門進行相應地自動調節(jié)，補水閥（進水閥）應保持常開狀態(tài)，補水閥的浮球應定期檢查是否完好，每天檢查水壓與水質是否符合操作規(guī)定（見表2），同時注意水箱的水位須高于泵吸入接管。冷卻水在進入機動泵時，應進行過濾，其雜質最大顆粒度不大于1mm。夏季應隨時測定其水箱的水溫，如果水箱水溫高于設計值，應及時補充、置換其水箱的水。

表2 噴淋水質指標

6 表面蒸發(fā)式空冷器的應用

目前石油化工各領域需要冷卻的場所愈來愈多，由于表面蒸發(fā)式空冷器具有節(jié)能、高效等特點，其使用較為廣泛，因此產生的經濟效益也尤為明顯，下面通過實例來加以說明。

山東某石油化工廠的混合石油戊烷分離裝置采用表面蒸發(fā)式空冷器代替干式空冷器和后水冷器的方案，對原裝置進行了節(jié)能改造。在進出口溫度、流量、壓力等相同工況下，其經濟性進行了比較，見表3。

從表3 可以看出，盡管技術改造后設備的投資增加了，但改造后用電能耗降低了17.1%，共用工程消耗相應減少了48.5%，操作費用降低了27%，從而其經濟效益明顯提高。在多年的實際工作中，表面蒸發(fā)式空冷器可以應用于氯乙烯裝置、重整裝置、輕烴回收裝置、氨制冷等多個領域。

表3 表面蒸發(fā)式空冷器與干式空冷器+后水冷器的經濟比較

7 結論

該文介紹了表面蒸發(fā)空冷器的原理、特點等方面，說明其在節(jié)水、節(jié)能、運行成本少、結構緊湊、高效等方面有顯著的優(yōu)勢，可以實際應用到石油、煉化、化工、醫(yī)藥、鋼鐵等領域。在以后換熱方面，彌補干式空冷器的缺點，完全可以替代后冷器，更好地在提高能源利用率和能量回收等方面起到積極的推進作用。