增膜型空冷器技术简介.doc

增膜型新一代高效空冷器
简 介
在炼油、化工、电力、冶金等行业的生产工艺中，若需要把热流体的温度降下来，但热流体温度不足以加热另一工艺流体，或不需要加热另一工艺流体时，用空冷器来降低热流体温度是最经济的。空冷器以环境空气为冷却介质，可对热流体进行冷却或冷凝。
1. 常规空冷器的类型、原理、特点及应用范围
常规空冷器可分为干式空冷器、湿式空冷器和蒸发式空冷器，它们都是通过管束换热。
1.1 干式空冷器
a. 空气导热系数低，加热比较困难，需要较大的温差才能将热量传给空气，所以干空冷适用于热流体出口温度较高的场合。一般热流体出口温度高于55℃方可考虑采用干空冷。
b. 干式空冷器不消耗水资源，适用于缺水地区。
c. 为强化空气侧的传热，干空冷多采用翅片管作为主要换热部件。翅片增大了换热面积，同时也增大了风阻力，因此干空冷的管排数较少。干式空冷器管排数从上到下一般为8排，热流体的处理量比较小。
1.2 湿式空冷器
与干空冷一样，湿空冷利用空气和热流体的温差作为换热推动力，因此热流体温度越高，换热效果越好。与干空冷不同之处是，湿空冷在空气入口后喷水雾，水雾蒸发降低了空气的温度，增大了空气和热流体的温差，所以冷却效果比干空冷好。对湿空冷来说，热流体出口温度可比干空冷的低一些。
1.3 蒸发式空冷器
蒸发式空冷器如图1所示。其主要特点是，利用管外水膜的蒸发强化管外传热。其工作过程是，用泵将空冷器下部水箱中的循环冷却水输送到喷淋管，喷向位于其下方的换热管表面，使管外形成连续均匀的薄水膜；同时位于空冷器上部的引风机将空气从水箱之上的百叶窗吸入，使空气自下而上流动，横掠水平放置的光管管束。此时传热管的管外换热除了水膜与空气流之间的显热传递外，管外表面水膜的迅速蒸发吸收了大量热量，强化了管外传热。故其工作过程不是单一的传热，而是通过传质（水膜蒸发，水分子进入空气）来强化传热。

图1 蒸发空冷示意图
1－风机，2－捕雾器，3－U型弯管，4－喷淋系统，
5－换热管束，6－上水管，7－构架水箱，8－循环水泵
管外水膜的蒸发使得空气穿过管束后湿度增加，风机将湿空气从管束中抽出并使其穿过喷淋管上方的捕雾器，除去饱和湿空气夹带的水滴后从设备顶部风机出口排入大气。由于顶部引风机的作用，风机下部形成负压，有利于管外表面水膜的蒸发和传热。
控制水膜厚度是蒸发式空冷器的关键技术。水膜越薄蒸发传热效果越好，但是太薄的水膜易破，反而影响传热。为了更好地形成水膜，多采用光管作为传热元件。光管的风阻力比翅片管的小，管排数可达30排，因此蒸发空冷器的处理量比干空冷和湿空冷大得多。占地面积相同时，蒸发空冷的热流体处理量可达干空冷的两倍之多。
从结构上看，蒸发空冷将冷却塔和列管式水冷器合为一体，自带循环水系统，减少了占地面积；采用光管换热，大大降低了设备的一次性投资；光管阻力小，风机负荷相应降低。
蒸发空冷一般适用于80℃以下低温位热流体的冷却和冷凝。若热流体流速较低，则其出口温度可冷到接近环境湿球温度。
1.4. 板式空冷器
板式空冷器结构紧凑、占地面积小。与常规空冷器相比，在热流体处理量相同，则或者说体积相同时，板式空冷器的换热面积大。
在板式空冷器中，板式干空冷和板式湿空冷不用考虑水膜及其喷淋问题，结构可以紧凑些，而且可用波纹板来强化传热。而板式蒸发空冷器因为要考虑水膜形成，就不能使用波纹板；要考虑喷淋水循环和空气流动方向等因素，结构上也不可能太紧凑。故板式蒸发空冷器与常规蒸发空冷器相比，优势远没有板式干空冷相对于常规干空冷那么明显。

2. 现有蒸发空冷器存在的问题
纵观空冷器乃至换热器的发展历史，各种改进措施，各种新原理、新技术都是奔着“强化传热”而来的，不同的只是传热被强化的程度和应用场合。所以说“强化传热”是永无止境的。另外，不同结构型式的空冷器各有所长，各有其适用范围。若能兼收并蓄，各取所长，则也可收到“强化传热”的效果。
分析现有蒸发空冷器，存在着如下问题或可改进的地方：
2.1 常规蒸发空冷器换热面积不够大
按单位热流体处理量计，常规蒸发空冷的传热面积没有板式蒸发空冷器的大。
2.2 板式空冷器的承压能力不太高
比如加氢精制反应产物进入空冷器的压力为8～9MPa，这是板式空冷器绝对承受不了的。
2.3 板式空冷器清洗检修维护不太方便
2.4 以前蒸发空冷的计算模型准确性差
管外传热既有对流方式的显热传热，也有蒸发传质引起的潜热传热；既有喷淋水向下流动，又有空气向上流动；既有水淋到管子上的成膜过程，又有管子上滴下来的水形成水柱和水滴的过程。既有管外表面的水膜传热，又有水柱和水滴的传热。既有水温和空气温度的变化，也有空气湿度和蒸汽分压的变化。如此多样化的流动相变传质传热过程，其数学描述极其复杂。
由于技术进步阶段性的限制，以前为避免数学模型无法求解，就将流动相变传质传热的物理模型和数学模型做了极大的简化和过强的假设，以致模型与实际情况相去甚远。实际设计时，还是较多地依赖经验，谈不上准确设计和优化设计
2.5 管外结垢较严重
调研了石化厂和钢厂使用蒸发空冷的情况，普遍存在管外结垢，严重影响换热的问题。有的运行几个月，空冷效果就不能满足工艺需求了，就得停车清洗两天。
2.6 管子腐蚀穿孔
调研了石化厂和钢厂使用蒸发空冷的情况。在“大气——水”这样的环境下，如果使用普通碳钢管，比如10号钢管，不到一年就出现管子腐蚀穿孔，管内介质泄漏的情况。

3. 增膜型新一代高效空冷器的技术优势
增膜型新一代高效空冷器是在常规蒸发空冷器的基础上，吸收了板式空冷的优点，进行重大改进而开发出来的新一代空冷器。重大改进表现在以下几个方面：
3.1 强化传质传热技术
3.1.1 采用图2所示的增膜板增加水膜面积，强化喷淋水与空气的换热。

图2 带有增膜板的换热管束示意
对常规蒸发空冷器，由于表面张力的作用，喷淋水在管子上形成水膜，与空气传质传热的面积较大。喷淋水从管子上落下来后，同样由于表面张力的作用，将自动变成水柱和水滴，与空气传质传热的面积大大缩小。如图2所示，加了增膜板后，喷淋水从管子上落到板子上。由于增膜板与水的润湿性很好，所以落到板上的水会自然沿增膜板两个侧面铺展开来，从而实现增加水膜面积、强化蒸发的目的。水膜向下流动至增膜板下边缘后，滴落在下一层换热光管上。增膜板上的喷淋水在下落过程中，有一部分蒸发进入空气，带走大量热量，从而使喷淋水的温度下降。温度下降后的喷淋水又落在下一层管子上，使得下一层管子内外温差扩大，有利于管内热流体更快地向外传递热量，从而增强了蒸发空冷器的传热能力。
蒸发空冷器常用的光管外径25mm，光管周长p×25＝78.5mm，同一竖轴线上垂直管间距82mm，增膜板高度取0.9×82＝74mm。忽略增膜板厚度，则增膜板截面周长为2×74＝148mm，是光管周长的1.88倍。根据不同的热负荷初步计算，使用增膜板后，换热量将扩大50%~80% （平均65%）。即使用增膜板后，蒸发空冷的换热量是常规空冷器的1.65倍，换热效果显著增强。
注：增膜板技术已经申请国家专利，申请号为200620098211.4。
3.1.2 换热管内插入螺旋，强化向外传递热量。
根据流动与传热的场协同理论，插入螺旋杆或螺旋带，则管内流动产生径向分速，可强化热量从中心向管壁的传导。插入螺旋本身可增大湍流度，强化管内的对流传热。管内的螺旋流动对管内结垢还有抑制作用。
3.1.3优化过风通道
从进风的百叶窗到风机的排风筒都是过风通道，对其每一段都可建立几何模型和流动模型，并用大型数值仿真软件优化设计。
常规蒸发空冷器进风百叶窗又称挡水板。图3左边的挡水板乃常规挡水板，其作用是让溅起的水仍落入水箱，但却让进风方向先朝下，再转个急弯向上，使得风阻增大，且不能完全防止水溅出。图3右边的挡水板乃改进挡水板，进风方向朝上，不转急弯，风阻较小，则风速可提高，可强化对流传质与传热。除此之外，改进挡水板还能挡阳光，挡落物等。

图3 现有挡水板与改进挡水板示意
注：改进挡水板技术正在办理申请国家专利手续。

3.2 传质传热准确计算与优化设计
3.2.1建立尽可能符合客观实际的传质传热模型

图4 管外传热物理模型
由于技术进步阶段性的限制，以前的计算模型过于简单和粗略。此次技术开发将根据空冷器中多种传质传热方式并存的复杂情况，建立尽可能符合客观实际的传质传热模型。
图4所示为管外水膜传热的物理模型，管外是一层水膜，水膜之外是一层饱和蒸汽膜，蒸汽膜之外是向上流动的空气与蒸汽。管外既有对流显热传热，又有水膜蒸发水蒸汽进入空气携带的潜热传热。其传热计算比较复杂。

图5 叉排管水膜分流模型
图5所示为交叉排列的换热管上水膜分流情况。
水流较大时，可以看到，管子上的水一部分沿着管子斜冲下去，还有一部分沿着管壁流到最低点。这两部分水分流处的角度为b。管外水流量越大，则分流前的水膜越厚，热阻越大。同时管外水流量越大则分流越早，分流角b越小。一般而言，最大分流角为900。对于图中的第三层管子来说，其壁面上的水可来自其上的两层管子。而不是紧邻的一层管子。

图6 增膜板传质传热模型
随着蒸发的进行，从上到下各层管子的水量是逐渐减小的，分流角是逐渐增大的。各层管子分流前后管壁水膜厚度及传热热阻是不同的，管壁上的水膜主要是吸收管内热量向空气传质和传热。而分流后自由下落的水流与空气的传质传热则取决于水流与空气流的温差和蒸汽分压。可见叉排管水膜分流的传质传热模型是相当复杂的。
图6所示为增膜板传质传热模型。与上同理，上层增膜板的水膜厚一些，下层增膜板的水膜薄一些。故增膜板上的水膜热阻是不相同的。但相对来说增膜板的传质传热模型比管壁水膜的略简单一些。
自由下落的水柱与水滴的传质传热模型与上面的模型也不尽相同。
我们认为，只有流动与传热的物理模型尽可能地切合实际，建立的数学模型也才有较高的准确性和可靠性。
3.2.2 准确计算与优化设计
利用现代数学中非线性问题的最新研究成果和大型数值计算仿真分析软件，可对客观复杂的传质传热模型进行准确计算，并进行传质传热的优化设计。

3.3 改进除垢方式
3.3.1 喷淋水量大于完全蒸发水量，减少管外壁的沉积。
按盐分浓缩规律和蒸发量准确计算和确定喷淋水量，使其大于完全蒸发水量。比完全蒸发多出来的水量用于带走污物和盐分，减少在管壁的沉积。
3.3.2脉冲水流在线除垢
电磁在线除垢或超声波在线除垢有两个效果，一是减少污垢，二是可使管壁上的污垢疏松或呈粥状。这样我们就可以用脉冲水流来在线冲刷疏松的新垢。比如每运行8小时，就用大水流将管束冲刷5分钟，将疏松的新垢和粥样污垢冲刷掉，以尽量维持管子较高的传热系数。
注：脉冲水流在线除垢技术已经申请国家专利，申请号为2006200982
10.x。
3.4 采取抗腐蚀措施，确保使用周期
采用渗铝钢换热管或硅铝共渗钢换热管，可大大提高换热管的耐蚀能力。 硅铝共渗钢换热管使用寿命为5～10年，保证炼油装置的一个长周期运行不成问题。
3.5 改进喷淋系统
3.5.1 采用矩形喷头代替圆形喷头，增大喷淋的可控性
常规蒸发式空冷器多采用圆形喷头，其喷洒区域是圆形，如图7所示。

圆形喷头的喷淋区域 矩形喷头的喷淋区域
图7 不同喷头喷淋区域比较
蒸发式空冷器的换热管束是矩形，由图7可见，圆形拼接成矩形时，要么有重叠区，要么有缝隙。重叠区喷淋量过大，水膜过厚，热阻大。缝隙区没有喷淋水膜，不能蒸发传热。如图7所示，采用矩形喷头则可无缝隙、无重叠地覆盖整个管束，增强了喷淋区域的可控性。
3.5.2 采用分管程喷淋
常规蒸发空冷器中，喷淋水全从管束上方喷淋下来，致使管束上部水量过大，水膜过厚，热阻过大。本次技术开发将采取分管程喷淋的方法，使上部水量不至于过大，使各管程的喷淋水按照设计参数尽可能充分蒸发。
注：分管程喷淋技术已经申请国家专利，申请号为200620099131.0。
3.5.3 按热负荷的面密度来优化喷淋水的覆盖密度
换热管内热流体温度沿流动方向是逐渐降低的，管外喷淋水膜的温度也是逐渐降低的。从管束的俯视面来看，管束各处热负荷的面密度不可能是均匀的。那么喷淋水的蒸发量随管束位置的不同而不同，所以喷淋水的面密度也不应该是均匀的。根据计算出来的管束热负荷面密度和喷淋水面密度，在不同位置采用不同型号的喷头，这样可将喷淋水量尽可能调整到符合喷淋水面密度，以达到最优喷淋，将管束换热能力发挥到极致的目的。安装在喷淋水管入口处流量调节阀可以调节进入喷淋水管的总流量，达到优化控制喷淋量的目的。
注：匹配热负荷面密度的喷淋技术已经申请国家专利，申请号为200620099130.6。。

3.6 本次技术开发拟采用的其它独创技术
3.6.1旋转脉冲喷头
脉冲水流拟采用旋转喷头喷出。喷头旋转，则覆盖区域大，所需的喷头数少，每个喷头喷出的水流量就大，冲刷污垢的效果就好。
3.6.2 改进捕雾器
采用稀疏翅片管代替S型或Z型捕雾器，既能捕雾，又能换热。
3.6.3改进风机固定方式
将风机原固定方式（固定在风筒内壁上）改为风机直接固定在构架上，增大风机支承刚度，减小风机振动和故障率。
3.6.4 改进构架方式
增膜型新一代高效空冷器将采用模块式结构代替整体式焊接结构，便于维修和更换零部件。

3.7 本次技术开发拟采用的其它先进技术
用活动管箱代替固定管箱，减小管束轴向热应力。用波纹管进行热补偿。还将采用管箱结构优化、风机变频调速、热负荷自适应控制等技术。

4. 增膜型新一代高效空冷器技术开发特点归纳
4.1 全面：找出问题，全面改进
4.2 突破：抓住关键，重点突破
4.3 集成：独创的核心技术与已有的先进技术集成起来，构成领先技术
4.4技术实现模式： 理论研究 ＋ 实验研究 ＋ 工业应用
5. 增膜型新一代高效空冷器三维结构图

高效空冷器的三维结构图
6. 技术经济指标
玉门炼厂酮苯脱蜡装置氨冷凝冷却系统的一台ZP9×3蒸发空冷与该装置原来的2片P9×3干空冷加6台LN-175后水冷的经济性比较见下表。
设备名称

项 目
蒸发空冷
一台ZP9×3
干空冷加后水冷一台
2片P9×3干空冷加6台
LN-175后水冷
设备总造价（万元）
82
94.28
操
作
费
能
耗
风机能耗（kw）
45
80
水泵能耗（kw）
15
90
合 计（kw）
60
170
软化水耗量（t/hr）
4
0
生水耗量（t/hr）
0
104
合 计（万元/年）
24.2
81.9
传热面积（光管）（m2）
936.6
1308
占地面积（m2）
31
66.4
注：表中为5年前费用
设备开工率8000小时/年，电费0.35元/度，软化水2元/吨，生水0.42元/吨
从表中可以看出，蒸发空冷一次性投资为干空冷加后水冷的88.9%，能耗为干空冷加后水冷的35.3%，水耗是干空冷加后水冷的3.9%，年总操作费用为干空冷加后水冷的30%，占地面积为干空冷加后水冷的46.7%。
根据前面计算可知，仅采用增膜板一项新技术，在相同体积情况下，增膜型新一代高效空冷器的换热量就已经是常规蒸发空冷器的1.65倍。也就是说，需要5台常规蒸发空冷器才能完成的空冷任务，只需要3台增膜型新一代高效空冷器（3×1.65≈5）就可以了。若根据实际情况，采用了本报告中的若干项新技术，那么单位体积管束的换热量还将增大，经济效益就会更加显著。
7. 技术开发实力简介
华中科技大学建有流体及热科学实验与研究中心，其理论研究、实验研究和工程设计能力在全国重点院校中名列前茅。挂靠该中心的工程热物理系、过程装备与控制工程系的教师长期从事流动与传质传热的前沿课题研究和教学工作，有着深厚的理论基础和丰富的实践经验，完成了多项国防科研项目和企业合作项目。
过程装备与控制工程系的教师及其课题团队，对蒸发空冷器已进行了两年深入研究，在传质传热核心技术和相关技术方面提出了多项创新措施，已申请了多项专利。

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