郭俊峰 尤燁龍

（西安喜而沃化工機械設(shè)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(shè)備中的一個重要冷換設(shè)備，目前已被廣泛應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)用較多，主要是干式空冷器不能滿足換熱效果的補充應(yīng)用。隨著技術(shù)的改進和發(fā)展，表面蒸發(fā)式空冷器越來越多地應(yīng)用在各個領(lǐng)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(zhì)出口溫度接近當?shù)刈罡邷囟鹊目绽淦饔葹槊黠@，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(zhì)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(jié)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(jīng)下部的進風百葉進入設(shè)備內(nèi)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(nèi)的高溫介質(zhì)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(nèi)高溫介質(zhì)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(nèi)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(zhì)入口溫度高于80℃的產(chǎn)品設(shè)計時，須在噴淋與風機之間設(shè)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(jié)垢的問題。翅片管采用低翅管，管排數(shù)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(zhì)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(zhì)進行冷卻。

2 結(jié)構(gòu)特點

表面蒸發(fā)式空冷器按其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，換熱管為直管，每根管的兩端對應(yīng)處設(shè)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(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)更為緊湊。管箱采用方箱絲堵式管箱（特殊介質(zhì)時也可采用可拆卸蓋板式組焊矩形管箱），根據(jù)其壓力損失、流速大小、換熱效果可以自由分配管程數(shù)，已達到最佳設(shè)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(yīng)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(yīng)的絲堵，用堵頭將管子兩頭堵住，不讓介質(zhì)流通次換熱管即可。一般在設(shè)計的富余量允許下都可以進行堵漏。在設(shè)計時還可以將噴淋管與下部的光管側(cè)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(shè)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(jié)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(shè)計為了引風式風機的一定的穿透力，保證其設(shè)計空氣側(cè)的流速為5m/s～7m/s，翅片管一般設(shè)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(shè)備內(nèi)部，繼續(xù)循環(huán)，從而減少耗水量。翅片管束的介質(zhì)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(zhì)的進出口法蘭均在設(shè)備的兩側(cè)。

圖1 絲堵式表面蒸發(fā)空冷器

構(gòu)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(shè)置了擋水板，在水箱上部四周設(shè)置了收水槽，從而減少了噴淋水外濺造成的水損失或?qū)υO(shè)備周圍平臺的濺水。水箱的底部帶有安裝底座，只需在基礎(chǔ)上預置地腳螺栓即可進行設(shè)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(shè)備的兩側(cè)，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(shè)備工作時一用一備，以便確保設(shè)備運行時噴淋水分配器正常工作；橫向主水管兩端設(shè)置了控制閥，在水箱底部設(shè)置了排污口，這樣可保證在冬季時設(shè)備的備用泵管線內(nèi)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(chǔ)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(shè)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(zhì)進（出）口換熱管匯總處設(shè)置圓形管箱（也可以根據(jù)介質(zhì)需要設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jù)換熱量的不同，隨意增減模塊即可，1～2 模塊設(shè)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(shè)計翅片管束進行介質(zhì)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(shè)置噴淋、捕霧器，兩者之間介質(zhì)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(shè)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(zhì)，這樣每根換熱管的兩端對應(yīng)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(zhì)，需要做成分解管箱，由于管箱質(zhì)量較大，不宜做分解管箱進行消除熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。這種空冷器的配管相對簡單，單臺設(shè)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(zhì)。

設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(zhì)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(zhì)，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(jù)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(zhì)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(cè)。

復合型蒸發(fā)式空冷器是模塊化設(shè)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(shè)計不大于2500mm，這樣在設(shè)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(shè)備的兩端（長度方向），進出口管線在設(shè)備的兩側(cè)或單側(cè)（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(shè)計尺寸制作，并將尺寸誤差控制在允許范圍內(nèi)。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(shè)計要求進行，直徑偏小，會影響葉片的高速運轉(zhuǎn)，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(shè)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(cè)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(zhì)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(cè)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(chǔ)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(shè)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(jié)構(gòu)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。總之，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(shè)備在運行時，先開啟噴淋系統(tǒng)，正常工作時水壓應(yīng)穩(wěn)定0.4MPa 左右，再開啟設(shè)備介質(zhì)閥門，以免由于介質(zhì)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(yīng)地自動調(diào)節(jié)，補水閥（進水閥）應(yīng)保持常開狀態(tài)，補水閥的浮球應(yīng)定期檢查是否完好，每天檢查水壓與水質(zhì)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(yīng)進行過濾，其雜質(zhì)最大顆粒度不大于1mm。夏季應(yīng)隨時測定其水箱的水溫，如果水箱水溫高于設(shè)計值，應(yīng)及時補充、置換其水箱的水。

表2 噴淋水質(zhì)指標

6 表面蒸發(fā)式空冷器的應(yīng)用

目前石油化工各領(lǐng)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(chǎn)生的經(jīng)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(jīng)濟性進行了比較，見表3。

從表3 可以看出，盡管技術(shù)改造后設(shè)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(yīng)減少了48.5%，操作費用降低了27%，從而其經(jīng)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(yīng)用于氯乙烯裝置、重整裝置、輕烴回收裝置、氨制冷等多個領(lǐng)域。

表3 表面蒸發(fā)式空冷器與干式空冷器+后水冷器的經(jīng)濟比較

7 結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊、高效等方面有顯著的優(yōu)勢，可以實際應(yīng)用到石油、煉化、化工、醫(yī)藥、鋼鐵等領(lǐng)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。