濕式空冷器解讀課件

1、濕式空冷器空冷與水冷的比較水冷和空冷是目前工業(yè)裝置中最重要的兩種冷卻方式。這兩種冷卻方式各有優(yōu)點(diǎn)和不足，選用時(shí)要視具體情況。如果冷卻水供應(yīng)困難，又要求嚴(yán)格控制環(huán)境的污染，自然選用空冷器；如果廠地面積、空間都受到限制，水源也無(wú)問(wèn)題，也就只有選用結(jié)構(gòu)緊湊的水冷器。但在一般情況下需作全面比較，因?yàn)橛绊懸蛩乇容^復(fù)雜。有關(guān)專(zhuān)家已作了許多分析和比較，一般都認(rèn)為空冷優(yōu)點(diǎn)多于水冷，所以即使在水源比較充足的地方，也推薦采用空冷。空冷的最大優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)水效果好，對(duì)環(huán)境污染小，操作費(fèi)用低，缺點(diǎn)是占地面積（或空間）大，一次性投資多，受到介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度的限制；水冷的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，安裝費(fèi)用低，但操作費(fèi)用高，對(duì)環(huán)境

2、污染嚴(yán)重，具體比較如表 1-1和表 1-2。如圖 1-1 所示的空氣冷卻、涼水塔冷卻、蒸發(fā)冷卻及開(kāi)放式（管殼式）水冷卻等四種冷卻方式進(jìn)行了比較，其結(jié)果示于表 1-3。從表中可以看出，在20 個(gè)比較項(xiàng)目中，空冷只有兩項(xiàng)劣于平均值，一項(xiàng)接近平均值，其余均優(yōu)于平均值。空氣冷卻系統(tǒng)流程圖涼水塔冷卻系統(tǒng)流程圖蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程圖開(kāi)放式一次冷卻系統(tǒng)流程圖注：-優(yōu)于平均值；-平均值；-劣于平均值；-不適用我國(guó)有工程技術(shù)人員從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)對(duì)這兩種冷卻方式進(jìn)行過(guò)對(duì)比，如對(duì)南京煉油廠減壓塔頂冷凝器改造前后進(jìn)行對(duì)比。該廠改造前為水冷，含油污水約 150103kg/h，占全廠污水量的 28%，新鮮水耗量達(dá) 400103kg

3、/h 以上，全部改為濕式空冷后，工業(yè)用水降到 1%，污水處理費(fèi)降到 1.3%，一次投資雖然多了些，但操作費(fèi)可大大節(jié)約，兩、三年即可回收全部投資。美國(guó)有人從節(jié)能觀點(diǎn)，舉了三個(gè)實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)比較。如表 1-4 所示。對(duì)比的條件為：設(shè)備使用期 15 年，每年運(yùn)轉(zhuǎn) 8400 小時(shí)，預(yù)計(jì)五年的燃料和能量消耗以及相同期間內(nèi)的設(shè)備折舊費(fèi)。這樣工藝設(shè)計(jì)費(fèi)可能增加，但可從最經(jīng)濟(jì)地操作中獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。從表 1-4 中不難看出，例 1 無(wú)疑用空冷最好；例 2 補(bǔ)償期未超過(guò)五年，仍以選空冷為好；例 3 雖然用水冷最經(jīng)濟(jì)，但每年要消耗 8000 美元的水，會(huì)造成污染，仍可考慮空冷?？绽淦鞯倪x擇在充分進(jìn)行選用水冷還是空

4、冷的論證后，在認(rèn)為用空冷不僅能滿足工藝要求，而且從能耗、水耗、平面布置都比較合適的情況下，還必須從性能和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，確定是選用干式空冷還是選用濕式、聯(lián)合式、蒸發(fā)式、板式空冷。通常情況下,可按管束布置方式、通風(fēng)方式和冷卻方式不同選用。 管束布置方式管束布置型式雖有多種，但在煉油廠、石油化工廠中應(yīng)用最多的是水平式，其次是斜頂式、立式和圓環(huán)式。(a)-斜頂式；(b)-水平式；(c)-之字式；(d)-立式；(e)-圓環(huán)式；(f)-V 字式1.水平式空冷器管束為水平放置，但作冷凝器時(shí)，為防止冷凝液停留在管子中，管子應(yīng)向介質(zhì)出口方向有 1%的傾斜。百葉窗置于管束上方，風(fēng)機(jī)置于管束下方（鼓風(fēng)式）或上方

5、（引風(fēng)式）。水平布置的特點(diǎn)是：管子布置清晰、整齊，適于多單元組合；傳熱面積、管束長(zhǎng)度不受限制；造價(jià)比斜頂式大約低 0.5%；管內(nèi)熱流體和管外空氣分布比較均勻。新建的大型煉油廠一般都采用此種型式。2. 斜頂式空冷器。管束斜放呈人字形，夾角一般在 60左右，百葉窗也斜放呈人字形置于管束外側(cè)，風(fēng)機(jī)置于管束下方空間的中央,換熱管有水平放置和斜立式放置兩種。其優(yōu)點(diǎn)是：占地面積?。ū人绞缴?40%50%），結(jié)構(gòu)緊湊（見(jiàn)圖 1-2a）。但管內(nèi)介質(zhì)和管外空氣分布不夠均勻，熱空氣容易形成較嚴(yán)重的熱風(fēng)再循環(huán)，成本也較高，一般多用作汽輪機(jī)冷凝器，與立式管束配合，用于干-濕聯(lián)合空冷以及適用于老廠改造或場(chǎng)地比較小的場(chǎng)

6、合。3. 立式空冷器。管束立放，風(fēng)機(jī)置于兩管束中間之頂部外側(cè)面（圖 1-2d）換熱管有水平放置和立式放置兩種。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，但管束中空氣分布不均勻，易受外界自然風(fēng)的干擾，管束不宜太長(zhǎng)，多用于濕空冷、聯(lián)合空冷和小型冷卻裝置，如用作壓縮機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、冶金高爐等循環(huán)水的冷卻器。4. 圓環(huán)式空冷器。多排管束立放排成圓環(huán)形，風(fēng)機(jī)位于上部中央（圖 1-2e）。這種形式結(jié)構(gòu)緊湊，適于安裝在塔頂作冷凝器，不占用土地。但風(fēng)機(jī)容量受到限制，空氣流速變化范圍較窄，靈活性差。通風(fēng)方式采用何種通風(fēng)方式，乃是空冷器設(shè)計(jì)者首先考慮的問(wèn)題。從空冷器的發(fā)展史上看，最早的空冷器是靠自然通風(fēng)，也稱(chēng)無(wú)風(fēng)機(jī)空冷器，它的最大

7、優(yōu)點(diǎn)是不消耗動(dòng)力、無(wú)噪聲，但熱負(fù)荷小，散熱效率低。目前在用的主要是鼓風(fēng)式和引風(fēng)式兩種。這兩種型式各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，人們的評(píng)價(jià)也不盡相同，但從總的情況看，一般傾向于用后者，目前國(guó)外應(yīng)用情況大約是引風(fēng)式占 60%，鼓風(fēng)式占40%。國(guó)內(nèi)干式空冷中多用鼓風(fēng)式，在濕式空冷、蒸發(fā)空冷、板式空冷上多用引風(fēng)式。其優(yōu)缺點(diǎn)如下： 鼓風(fēng)式空冷器優(yōu)點(diǎn)：A. 風(fēng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不與熱空氣接觸，其結(jié)構(gòu)材料可不考慮溫度的影響，使用壽命較長(zhǎng)；B. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)保養(yǎng)；C. 比較容易設(shè)置多個(gè)空冷器單元。缺點(diǎn)：A. 氣流經(jīng)過(guò)底排管束的速度大，壓力損失大，雖然可以強(qiáng)化傳熱，但氣流分布不均勻；B. 管束暴露于大氣中，翅片管易被冰雹、

8、雨雪和風(fēng)沙侵襲損傷、弄臟或腐蝕；C. 在特殊氣候條件下，管內(nèi)熱流體的出口溫度不易得到精確控制，操作波動(dòng)大；D. 熱空氣離開(kāi)管束時(shí)，流速較低，有可能產(chǎn)生熱風(fēng)再循環(huán)現(xiàn)象。2. 引風(fēng)式空冷器優(yōu)點(diǎn)：A. 風(fēng)葉和風(fēng)筒對(duì)管束有屏蔽作用，能減少暴風(fēng)雨及烈日對(duì)管束的直接影響，有利于溫度的控制；B. 經(jīng)風(fēng)機(jī)排出的熱風(fēng)流速較高，約為吸入速度的 2.5 倍，故熱風(fēng)再循環(huán)的可能性大為減少；C. 進(jìn)入管束的氣流分布較均勻，空氣壓降稍有降低；D. 風(fēng)筒具有一定的吸風(fēng)作用，能促進(jìn)空氣進(jìn)行自然對(duì)流，因而可減少動(dòng)力消耗；E. 因?yàn)轱L(fēng)機(jī)安裝位置較高，所以平臺(tái)處噪聲較低；F. 占地面積小，因?yàn)楣苁旅娴淖呃瓤砂惭b其他設(shè)備，如管線，

9、泵等。缺點(diǎn)：A. 風(fēng)機(jī)位于管束之上，直接受熱空氣作用，葉片和軸承需要較好的耐熱性能，一般要求風(fēng)機(jī)出口溫度不超過(guò) 120；B. 為防止空載時(shí)的超負(fù)荷，風(fēng)機(jī)要有一定的余量；C. 風(fēng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的維修保養(yǎng)較為麻煩。造價(jià)：引風(fēng)式的造價(jià)比鼓風(fēng)式低，其理由是鼓風(fēng)式的構(gòu)架比引風(fēng)式的復(fù)雜，而且后者在制造廠內(nèi)的預(yù)裝配程度較高。在工地安裝時(shí)的費(fèi)用只有鼓風(fēng)式的 80%，因此，引風(fēng)式的總造價(jià)比鼓風(fēng)式的低。動(dòng)力消耗：按理論上的功率計(jì)算方法計(jì)算，引風(fēng)式比鼓風(fēng)式約大 5%。但美國(guó)HUDSON 公司對(duì)兩臺(tái)條件相似的鼓風(fēng)式和引風(fēng)式空冷器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)表明，后者所消耗的功率在一定條件下并不比前者大，反而在功率相同的情況下，由于引風(fēng)

10、式的排風(fēng)體積流率大于鼓風(fēng)式，因而相對(duì)來(lái)說(shuō)還要小。相當(dāng)于在引風(fēng)式出口空氣溫度比鼓風(fēng)式高 55時(shí)二者具有相等的質(zhì)量流率，也即當(dāng)二者的排風(fēng)溫度差小于 55時(shí)，引風(fēng)式的功率消耗較低。由于引風(fēng)式具有較多的優(yōu)點(diǎn)，所以目前多采用引風(fēng)式冷卻方式1、干式空冷器：就是僅依靠空氣溫升帶走熱量，靠翅片管和風(fēng)機(jī)強(qiáng)化傳熱的空冷器。操作簡(jiǎn)單，使用方便，但由于其冷卻溫度取決于空氣的干球溫度，其接近溫度（熱流出口溫度減去冷流入口溫度）高于 1520時(shí)才經(jīng)濟(jì)，只能把管內(nèi)熱流體冷卻到高于環(huán)境溫度 1520。所以，被冷卻介質(zhì)的最終冷卻溫度，一般應(yīng)比設(shè)計(jì)空氣溫度高 15以上，如需進(jìn)行更低溫度的冷卻（如接近環(huán)境空氣溫度）則應(yīng)采用濕式空冷

11、器。濕式空冷器就是依靠空氣溫升帶走熱量，靠翅片管和風(fēng)機(jī)及噴霧水增濕降溫強(qiáng)化傳熱的空冷器。在傳熱過(guò)程中有少量的蒸發(fā)傳熱，是為了彌補(bǔ)干空冷的缺點(diǎn)而開(kāi)發(fā)出的一種空冷器(如圖 1-5)。濕式空冷器綜合了空冷和水冷的優(yōu)點(diǎn)。出現(xiàn)于20 世紀(jì)五十年代，發(fā)展于 20 世紀(jì) 60 年代，在英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、墨西哥等世界各地的煉油廠，化工廠和氣體加工廠中廣泛采用。我國(guó)目前主要用于煉油廠的常減壓塔頂，汽油再蒸餾、丙烷脫瀝青、酮苯脫蠟等裝置中的冷凝、冷卻過(guò)程。濕式空冷器根據(jù)噴水方式基本可分為增濕型、噴淋型和表面蒸發(fā)型三種，在石油化工廠中，以前兩種為主，一般都可把熱流體出口溫度冷卻到接近環(huán)境濕球溫度。增濕型空冷器如圖

12、1-5a 所示，它是在空氣入口處噴霧狀水，使干燥的空氣增濕接近飽和溫度，且降溫。增濕后的低溫空氣經(jīng)過(guò)擋水板除去水滴，再橫掠翅片管束，干空氣相對(duì)濕度愈小，增濕后降溫愈多，冷卻效果也愈顯著，所以增濕空冷器應(yīng)用在干濕球溫度差較大的干燥地區(qū)特別有效，它不存在在翅片上結(jié)垢的問(wèn)題，可以采用新鮮水作噴霧水。管內(nèi)熱流體的入口的溫度可在5090之間，出口溫度可冷卻到稍高于環(huán)境空氣溫度。表 1-5 列出了國(guó)外幾個(gè)干燥地區(qū)的干、濕球溫度，從表中可以看出，墨西哥地區(qū)相對(duì)濕度為 27.1%，即干濕球溫度相比下降了16，這是很可觀的。噴淋型濕式空冷器其典型結(jié)構(gòu)如圖 1-5b 所示。這種空冷器是直接在管束的翅片管上噴霧狀水

13、，使翅片表面完全被水濕潤(rùn)，它不僅可以降低空氣進(jìn)入管束時(shí)的溫度，而且依靠翅片表面上水的蒸發(fā)帶走大量的熱，可使熱流體出口溫度冷卻到等于或略低于環(huán)境空氣溫度。我國(guó)目前煉油廠使用的濕式空冷器大多屬此型式。噴淋用的水量?jī)H為水冷器的 2%3%，即可使其管外膜傳熱系數(shù)比干空冷提高一倍，傳熱面積減少 15%25%左右。也有人通過(guò)試驗(yàn)證明，噴 3%的水，傳熱強(qiáng)度可比干空冷器高 24倍。這種濕式空冷器由于操作參數(shù)的不同，水蒸發(fā)所帶走的熱負(fù)荷也不相同。文獻(xiàn)1把水蒸發(fā)帶走的熱負(fù)荷分為兩種，對(duì)這兩種蒸發(fā)式空冷器與最佳設(shè)計(jì)的干空冷器在傳熱量、相對(duì)占地面積、理論功率消耗等方面進(jìn)行比較的結(jié)果，如圖 3-4、3-5、3-6所示

14、。從這三個(gè)圖中可以看出：50%蒸發(fā)設(shè)計(jì)負(fù)荷與干空冷器相比，其傳熱量約提高 1.62.5 倍，占地面積約減少 3/4，功率消耗約減少 10%。文獻(xiàn)1對(duì)國(guó)產(chǎn)翅片管?chē)婌F水蒸發(fā)空冷器進(jìn)行試驗(yàn)證明，噴淋型濕式空冷器比干空冷器的管外給熱系數(shù)均提高一倍左右，噴淋型濕式空冷器在在代替水后冷器降低熱流體冷卻溫度方面取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。表面蒸發(fā)式空冷器(榆次電站用)表面蒸發(fā)式空冷器是一種利用管外水膜的膜蒸發(fā)來(lái)強(qiáng)化傳熱的、由光管組成的一種空冷裝置，其典型結(jié)構(gòu)有兩種，見(jiàn)圖 1-6，其中(a)是美國(guó) Baltimore aircoil公司推薦采用的結(jié)構(gòu)形式，在國(guó)外多用于的冶金企業(yè)；(b)為目前大量應(yīng)用在我國(guó)煉油冶

15、金行業(yè)的結(jié)構(gòu)形式。蒸發(fā)空冷器的結(jié)構(gòu)型式1-管束；2-熱流體進(jìn)口；3-空氣進(jìn)口；4-循環(huán)水泵；5-排水管；6-供水管；7-擋水板；8-熱空氣出口；9-熱流體出口干、濕聯(lián)合空冷器所謂干濕聯(lián)合空冷器，就是將干空冷器和濕空冷器合成一體。由于組合方法的不同，結(jié)構(gòu)形式也有多種變化，但其組合的原則基本相同，一般在工藝流體的高溫區(qū)域用干空冷器，在低溫區(qū)域用濕空冷器，即干空冷器起氣體冷凝的作用，濕空冷器起冷凝液冷卻的作用。干濕聯(lián)合空冷器包括以下四種管束布置方式：A、立放管束聯(lián)合；B、橫放管束聯(lián)合；C、橫立組合式管束聯(lián)合；D、斜立組合式管束聯(lián)合。A、立放管束聯(lián)合如圖 1-7 所示。這種結(jié)構(gòu)的管束立放，噴水系統(tǒng)介于

16、兩管束之間，熱流體先經(jīng)過(guò)干空冷器，經(jīng)冷卻后再進(jìn)入濕空冷器繼續(xù)冷卻，由于干、濕空冷器并列，所以結(jié)構(gòu)緊湊，但熱流體的流向不理想，管內(nèi)阻力降大。B、橫放管束聯(lián)合。如圖 1-8 所示。這種結(jié)構(gòu)為管束橫放，噴水系統(tǒng)亦介于兩管束之間，熱流體首先進(jìn)入由增濕空氣冷卻的干空冷器，然后再進(jìn)入濕空冷器繼續(xù)冷卻。噴水方向與空氣流動(dòng)方向相反。結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。上述兩種結(jié)構(gòu)都采用回轉(zhuǎn)噴嘴，適用于熱負(fù)荷較小的裝置。C、橫立組合式管束聯(lián)合如圖 1-9 所示。水平管束為干空冷器，立放管束為濕空冷器。立放管束分為橫排立放和立排立放兩種。管內(nèi)工藝流體首先經(jīng)過(guò)干空冷器，然后進(jìn)入濕空冷器，繼續(xù)冷卻。環(huán)境空氣經(jīng)過(guò)噴水后增濕降溫。即使

17、再橫向掠過(guò)濕空冷器管束，其溫度一般仍低于環(huán)境空氣干球溫度，所以干空冷器的冷卻效率仍可保證，是目前國(guó)內(nèi)外最常用的一種組合。圖 1-9 聯(lián)合空冷器（橫、立管束）D、斜立組合式管束聯(lián)合如圖 1-10 和圖 1-11 所示，上面斜頂管束為干空冷器，下面立放橫排管束為濕空冷器。斜頂管束根據(jù)排管的不同，可分為橫排和立排兩種。立放管束分為橫排立放和立排立放兩種。橫排適用于冷凝液比體積變化不大的氣體或氣、液混合流體的冷卻。立排適用于冷凝液比容變化較大的氣體或汽油的冷凝和冷卻。濕空冷器在電力工業(yè)中應(yīng)用背景國(guó)外電站空冷已有 60 多年歷史，目前仍在繼續(xù)發(fā)展。1939 年德國(guó) GEA 公司首先提出直接空冷系統(tǒng)；19

18、56 年匈牙利人提出混合式凝汽器間接空冷系統(tǒng)；1975 年比利時(shí)人提出表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)；1977 年美國(guó)人又提出了采用冷卻劑的表面式凝汽器間接冷卻系統(tǒng)。德國(guó)在 1971 年已建成了 30 萬(wàn)千瓦的機(jī)組采用直接空冷后，新鮮水補(bǔ)充量從 80m3/h111m3/h 降到了 1.3m3/h，即下降了 98.4%98.8%空冷器也大量應(yīng)用于汽輪機(jī)(透平)的蒸汽冷凝器。目前，世界上最大的空冷機(jī)組的單機(jī)容量為 665MW(馬丁巴電站，直接空冷)，668MW(肯達(dá)爾電站，間接空冷)。直接空冷、間接空冷、表面式凝汽器間接空冷目前均有應(yīng)用，但以前二者居多，空冷器在動(dòng)力工業(yè)中主要是作為汽輪機(jī)的排汽冷凝器，分

19、直接空冷和間接空冷兩種系統(tǒng)。 直接空冷系統(tǒng)汽輪機(jī)排汽通過(guò)較大直徑的管道送入空氣冷凝器管束進(jìn)行冷凝，凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送回鍋爐給水系統(tǒng)，經(jīng)鍋爐加熱后循環(huán)使用。為了節(jié)省占地面積，縮短真空下排汽管道的長(zhǎng)度，空氣冷凝器一般放在汽輪機(jī)房的屋頂上或室外平地上。直接空冷系統(tǒng)的冷凝器有如下幾種代表型式：(1) GEA 空氣冷凝器：管束采用鍍鋅矩形翅片橢圓管(均為碳鋼)，縱向排列，一般為斜頂式。為了防止空氣漏入真空系統(tǒng)，翅片管與管箱的連接采用焊接結(jié)構(gòu)，冷凝器分為主冷凝器管束和輔冷凝器管束兩部分，采用汽水順流和逆流混合冷卻方式。(2) 赫德森(Hudson)型空氣冷凝器：翅片管也是縱向排列，每片管束中也分主、輔冷凝

20、管束兩部分。主冷凝器管束為汽水順流方式，每片管束最上排四根管子組成輔助冷凝管束，為汽水逆流方式。由于輔助冷輔管束位于管束的上部，接觸的是被前幾排加熱后的空氣，因此不易發(fā)生凝結(jié)水凍結(jié)現(xiàn)象。(3) 魯姆斯(Lummus)型空氣冷凝器：采用 U 型管束，管子水平排列，蒸汽在管束中被冷凝后，凝結(jié)水靠重力經(jīng)過(guò)環(huán)形密封流入凝結(jié)水箱，每片管束分主、輔兩部分冷凝管束，其換熱面積之比為 95:5。輔助冷凝器管束的作用是抽氣前，對(duì)空氣中所含蒸汽進(jìn)行最大限度的冷凝，此種結(jié)構(gòu)可能在極寒冷的氣象條件下使用而不發(fā)生凍結(jié)，其占地面積較其它型式少 20%30%。間接空冷系統(tǒng)可分以下三種型式(1) 混合式凝汽器系統(tǒng)：該系統(tǒng)是將汽輪機(jī)蒸汽排入混合凝汽器與水混合而得到凝結(jié)，凝結(jié)水的一部分由凝結(jié)水泵送入鍋爐給水系統(tǒng)，大部分由循環(huán)水泵送到冷水塔中進(jìn)行冷卻。其特點(diǎn)是：混合式凝汽器布置在汽輪機(jī)的下部，使得汽輪機(jī)排氣管道很短，故真空冷系統(tǒng)減小，保持了水冷的特點(diǎn)。(2) 表面式凝汽器系統(tǒng)：該系統(tǒng)是用表面式凝汽器取代混合式凝汽器，其特點(diǎn)是對(duì)循環(huán)水水質(zhì)要求不高，可大大降低水處理費(fèi)；系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備少，布置也較容易。但冷卻水必須進(jìn)行兩次熱交換，傳熱效果差，投資相應(yīng)增大，在原子能工業(yè)中為防止放射性污染，采用這種系統(tǒng)