郭俊峰 尤燁龍

（西安喜而沃化工機(jī)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(guò)程設(shè)備中的一個(gè)重要冷換設(shè)備，目前已被廣泛應(yīng)用?？绽淦鞯膬?yōu)點(diǎn)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(bǔ)充應(yīng)用。隨著技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，表面蒸發(fā)式空冷器越來(lái)越多地應(yīng)用在各個(gè)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(duì)介質(zhì)出口溫度接近當(dāng)?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(dāng)介質(zhì)進(jìn)口溫度高于80℃時(shí)，可以先讓表面蒸發(fā)空冷器的干式空冷器部分進(jìn)行預(yù)冷卻，使其進(jìn)入光管換熱時(shí)其溫度在80℃以下，這樣能有效減少噴淋水對(duì)光管的結(jié)垢影響[5]。

1 表面蒸發(fā)式空冷器運(yùn)行原理

表面蒸發(fā)式空冷器的運(yùn)行原理是空氣經(jīng)下部的進(jìn)風(fēng)百葉進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，在引風(fēng)式風(fēng)機(jī)的強(qiáng)力作用下，冷空氣自下向上流動(dòng)，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(jìn)行熱交換，軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制空氣以5m/s～7m/s 的速度通過(guò)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(guò)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(fēng)機(jī)出口排入大氣。同時(shí)在軸流風(fēng)機(jī)的作用下，使換熱管處形成負(fù)壓區(qū)，進(jìn)一步加速管外水膜的蒸發(fā)，加快管外傳熱，從而提高了機(jī)組的換熱效果。未被蒸發(fā)的水在下落的過(guò)程中被空氣冷卻，并均勻下落到水箱中再次循環(huán)使用。進(jìn)水閥自動(dòng)補(bǔ)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(jìn)行[6-7]。

對(duì)于介質(zhì)入口溫度高于80℃的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，須在噴淋與風(fēng)機(jī)之間設(shè)計(jì)干式空冷器，進(jìn)行預(yù)冷卻以解決由于溫度過(guò)高而引起光管結(jié)垢的問(wèn)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(shí)達(dá)到消白的目的。介質(zhì)先進(jìn)入上部的翅片管束，進(jìn)行預(yù)冷卻，再進(jìn)入下部的光管管束進(jìn)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(jìn)入上部翅片管外表面，將介質(zhì)進(jìn)行冷卻。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

表面蒸發(fā)式空冷器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jiǎn)稱蒸發(fā)冷；另外一種是復(fù)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(jiǎn)稱復(fù)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(duì)應(yīng)處設(shè)置絲堵作為密封。從下向上依次布置：水箱、進(jìn)風(fēng)百葉、光管管束、噴淋水管、捕霧器、翅片管管束、引風(fēng)式風(fēng)機(jī)。對(duì)光管管束，其換熱管為碳鋼時(shí)，須對(duì)換熱管進(jìn)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(duì)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?yàn)橛绣冧\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(shí)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(dá)到最佳設(shè)計(jì)使用效果。同時(shí)，絲堵式管箱方便以后的檢修。對(duì)于單根換熱管的管頭泄露，只需打開(kāi)相對(duì)應(yīng)的絲堵，對(duì)其進(jìn)行脹接或焊接即可；對(duì)于單根換熱管中間部分腐蝕泄露，可卸下對(duì)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(jì)的富余量允許下都可以進(jìn)行堵漏。在設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)行過(guò)成過(guò)程中的水泄露。

其實(shí)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(lái)對(duì)待，翅片管作為干式預(yù)冷卻管束。翅片管管束一般設(shè)計(jì)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(duì)基管外表面覆蓋不嚴(yán)而造成的結(jié)垢和電化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)。顯著提高了換熱效率，延長(zhǎng)了使用壽命。翅片間距大于2.8mm 翅片管，這樣設(shè)計(jì)為了引風(fēng)式風(fēng)機(jī)的一定的穿透力，保證其設(shè)計(jì)空氣側(cè)的流速為5m/s～7m/s，翅片管一般設(shè)計(jì)成4～6 排管，這樣翅片管還有一個(gè)捕霧器的作用（見(jiàn)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(jìn)口端，兩者之間用U 型接管連接。介質(zhì)的進(jìn)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(jìn)風(fēng)口，且其四周均為進(jìn)風(fēng)口；同時(shí)水箱作為風(fēng)機(jī)、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(tái)的濺水。水箱的底部帶有安裝底座，只需在基礎(chǔ)上預(yù)置地腳螺栓即可進(jìn)行設(shè)備安裝。

噴淋水輸送系統(tǒng)由兩條管線和兩臺(tái)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(shí)一用一備，以便確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)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(shí)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(fù)合型表面蒸發(fā)式空冷器

復(fù)合型表面蒸發(fā)式空冷器實(shí)際上就在絲堵式表面蒸發(fā)空冷器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將其絲堵式表面蒸發(fā)空冷器的進(jìn)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?fù)Q熱管流動(dòng)，而風(fēng)在引風(fēng)式風(fēng)機(jī)作用下，向上流動(dòng)，在換熱管外表面與下降的水呈不同的方向，因此為復(fù)合型表面蒸發(fā)式空冷器。

管箱只在介質(zhì)進(jìn)（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(jì)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(jì)減少了管箱的高度，同時(shí)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(zhǎng)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(duì)于碳鋼換熱管在每個(gè)模塊制作完畢后先整體進(jìn)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(jì)1 臺(tái)引風(fēng)式直聯(lián)風(fēng)機(jī)，每個(gè)模塊外面用噴塑板包裝，美觀大方[8-9]。

也可以在冷凝盤(pán)管上方在設(shè)計(jì)翅片管束進(jìn)行介質(zhì)的預(yù)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(hù)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(pán)管之間設(shè)置噴淋、捕霧器，兩者之間介質(zhì)進(jìn)出口用U 型彎頭連接（見(jiàn)圖2）。

圖2 復(fù)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(yùn)行原理上基本相同，但在具體設(shè)計(jì)、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(duì)應(yīng)的絲堵打開(kāi)，就可以進(jìn)行清理；但對(duì)進(jìn)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(jìn)行消除熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。這種空冷器的配管相對(duì)簡(jiǎn)單，單臺(tái)設(shè)備為兩進(jìn)兩出，但對(duì)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(jiǎn)單、黏度較高的介質(zhì)。

設(shè)計(jì)壓力在2.5MPa 以上的空冷器，對(duì)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(qiáng)度焊+貼脹，制作成本會(huì)大幅度增加。若采用復(fù)合型表面蒸發(fā)空冷器，設(shè)計(jì)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(wèn)題；且空冷器沒(méi)有絲堵或者絲堵較少，這樣大大降低了泄露的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于易燃易爆有毒介質(zhì)尤為合適；但同時(shí)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(duì)換熱效果影響較大。U 型管對(duì)于流速較高的介質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在U 型彎處會(huì)有一定的沖刷，如果再有腐蝕，這樣會(huì)影響其使用壽命。每個(gè)模塊均為兩進(jìn)兩出，在減少壓力降方面有很好的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)大大增加了現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行、維修等方面進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)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(jìn)出口在長(zhǎng)度方向兩端（見(jiàn)圖1），受運(yùn)輸限制，寬度（含管位）不能超過(guò)3300mm，在現(xiàn)場(chǎng)須用U 型彎頭連接翅片管管束與光管管束，介質(zhì)進(jìn)出口接管均為兩個(gè)。整體安裝完成，寬度一般在3500mm，每臺(tái)之間須預(yù)留檢修通道（1500mm）。噴淋管線及循環(huán)泵、閥門是兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，一用一備，在寬度方向左右兩側(cè)。

復(fù)合型蒸發(fā)式空冷器是模塊化設(shè)計(jì)，整體管束的寬度方向作為模塊的長(zhǎng)度方向，模塊的寬度一般設(shè)計(jì)不大于2500mm，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮管束運(yùn)輸超限問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后，兩個(gè)水泵分別在設(shè)備的兩端（長(zhǎng)度方向），進(jìn)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(yán)格按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)的風(fēng)筒直徑嚴(yán)格按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)行，直徑偏小，會(huì)影響葉片的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，直徑偏大，會(huì)影響風(fēng)機(jī)的使用效果，有可能達(dá)不到風(fēng)機(jī)風(fēng)量的設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)程中不向外泄漏。對(duì)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(fù)合型表面蒸發(fā)空冷器，對(duì)碳鋼材質(zhì)換熱器的盤(pán)管，在盤(pán)管制作完畢后，整體進(jìn)行478℃的熱浸鋅防腐處理，其外框架的尺寸要求更嚴(yán)格，其直線度、對(duì)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(zhǔn)確性。在固定包裝板時(shí)，須在包裝板之間、包裝板與冷凝盤(pán)管框架接觸面加上40mm×5mm 的密封膠帶，已保證其運(yùn)行過(guò)程中水不會(huì)向外泄漏，用M5 帶密封墊的自攻絲將其各個(gè)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(yùn)行

將水箱用地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，把光管管束/盤(pán)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(fēng)筒、風(fēng)機(jī)用螺栓固定于設(shè)備最上端。

在安裝時(shí)須注意泵、閥門的進(jìn)、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(duì)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(yùn)行過(guò)程中水資源的浪費(fèi)及保證平臺(tái)的干燥。

設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，先開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)，正常工作時(shí)水壓應(yīng)穩(wěn)定0.4MPa 左右，再開(kāi)啟設(shè)備介質(zhì)閥門，以免由于介質(zhì)溫度過(guò)高，而將PVC 噴淋管及噴頭因?yàn)槭軣岫鴵p壞。但隨環(huán)境變化及處理量波動(dòng)時(shí)，可通過(guò)浮球閥門進(jìn)行相應(yīng)地自動(dòng)調(diào)節(jié)，補(bǔ)水閥（進(jìn)水閥）應(yīng)保持常開(kāi)狀態(tài)，補(bǔ)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(jiàn)表2），同時(shí)注意水箱的水位須高于泵吸入接管。冷卻水在進(jìn)入機(jī)動(dòng)泵時(shí)，應(yīng)進(jìn)行過(guò)濾，其雜質(zhì)最大顆粒度不大于1mm。夏季應(yīng)隨時(shí)測(cè)定其水箱的水溫，如果水箱水溫高于設(shè)計(jì)值，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充、置換其水箱的水。

表2 噴淋水質(zhì)指標(biāo)

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(chǎng)所愈來(lái)愈多，由于表面蒸發(fā)式空冷器具有節(jié)能、高效等特點(diǎn)，其使用較為廣泛，因此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也尤為明顯，下面通過(guò)實(shí)例來(lái)加以說(shuō)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(duì)原裝置進(jìn)行了節(jié)能改造。在進(jìn)出口溫度、流量、壓力等相同工況下，其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，見(jiàn)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(fèi)用降低了27%，從而其經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。在多年的實(shí)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(gè)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(jì)比較

7 結(jié)論

該文介紹了表面蒸發(fā)空冷器的原理、特點(diǎn)等方面，說(shuō)明其在節(jié)水、節(jié)能、運(yùn)行成本少、結(jié)構(gòu)緊湊、高效等方面有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)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(bǔ)干式空冷器的缺點(diǎn)，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(jìn)作用。