空冷器在化纤聚酯项目中的应用

郭杰 丛阅

（浙江省新凤鸣集团) （上海大学机电工程与自动化学院）

空冷器在化纤聚酯项目中的应用

郭杰*丛阅

（浙江省新凤鸣集团) （上海大学机电工程与自动化学院）

介绍空冷器在化纤聚酯项目中的一项应用成果。原聚酯生产工艺流程通过冷却水列管式换热器将100.5℃的酯化蒸汽降至55℃，现改为用空冷器和板式换热器进行冷凝冷却。改造后大大降低了运行成本，原水泵运行功率为420 kW，改造后空冷器和板式换热器运行功率为88 kW，节约电力332 kW，并且基本不再需要冷却水，节能节水效果明显。论述了冷却方案的选择和空冷器的设计、空冷器的特点、运行结果和经济效益以及投资回收周期。关键词 空冷器 列管式换热器 板式换热器 节能 翅片管 聚酯

0 前言

空冷器是一种用空气作为冷却介质的冷却设备，管内的热流体通过管壁和翅片与管外的空气进行热交换，所用的空气一般由空冷风机提供。采用空气冷却器可节约工业用水、避免环境污染，因此在石化、冶金、电站等行业得到很好的推广应用。

新凤鸣集团公司原聚酯生产工艺流程使用列管式换热器，将100.5℃的酯化蒸汽 （夏天）冷凝成液体，并冷却降温至55℃后再用于聚酯生产。这一冷却方案技术上比较成熟，使用效果也非常好。由于水的换热系数较高，原设计的列管式换热器体积小、结构紧凑，一次性投资较低，这对于公司项目建设初期控制投资成本起到了一定的作用。因此列管式换热器作为一种传统的冷却方式常用于早期的项目建设。近年来，随着新型空冷器经济性的提高，许多石化企业和化纤项目都采用了空冷器，一部分列管式换热器逐渐被空气冷却器所代替。因此公司决定进行项目改造，使用空冷器加板式换热器代替列管式换热器，用以冷凝聚酯生产工艺流程中产生的酯化蒸汽。由于早期建设的列管式换热器已经投产，实际改造时空冷器与板式换热器并联安装，空冷器安装后列管式换热器不再使用。当夏天空冷器性能衰减不能满足正常的冷却负荷时，板式换热器与空冷器并联使用，因此空冷器设计可取较小的设计裕量。详细的生产工艺流程如图1所示。事实证明，空气冷却器不仅维护保养成本低，且与列管式换热器比较，具有更长的使用寿命。整套空冷改造项目投资约为150万元，预计投用一年即可收回全部投资。

图1 聚酯生产工艺流程

1 空冷器的传热计算

1.1 空冷器的基本传热方程

空冷器的热力计算必须满足热交换器的三个基本方程：

式中：G为流量，Cp为比热，ΔT为进出口温差，下标w为酯化蒸汽，下标a为空气，K为总传热系数，A为换热面积，Δtm为对数平均温差。

正确设计的空冷器，其传热量应该等于热流体的放热量，也等于冷流体的吸热量，即在任何情况下，由这三个方程计算的热量数值必须相等。

1.2 传热平均温差

对于任何流动方式的换热器，其传热平均温差是冷流体与热流体的平均温度差。空冷器为交叉流动式换热器，其传热平均温差可以采用纯逆流对数平均温差进行计算，然后乘以温差修正系数F。

1.3 传热热阻和传热系数

空冷器属于热交热器的一种，因此遵循传热的基本原理。热流体经过换热元件将热量传给冷流体，而串联的各个环节的传热阻力，其总和构成了传热过程的传热热阻。对于空冷器，采用的换热元件为翅片管，从内而外传热热阻分别由管内对流换热热阻、管内污垢热阻、管壁传导热阻、接触热阻、管外污垢热阻、管外对流换热热阻组成，传热总热阻等于上述各项热阻之和。

传热系数即为传热总热阻的倒数。

其中，管壁传导热阻与所用材料的导热系数有关，与传热过程的其他热阻相比较，一般可以忽略不计。

接触热阻是指翅片和基管两种材料不一样，热膨胀系数也不一样，当壁温升高到一定程度时，两种金属在结合面上脱离接触，出现间隙，从而形成热阻，因此也叫间隙热阻。接触热阻的数值很小，在使用温度不高时，一般也可以忽略不计。对于空冷器常使用的双金属轧片管，当使用温度小于100℃时，均不考虑接触热阻，使用温度稍高时，其热阻一般包括在管外污垢热阻之中。

综上所述，空冷器的换热计算主要是对管内对流换热热阻和管外对流换热热阻的计算。这两个热阻的计算要求非常专业的知识和丰富的经验，可由设计院或专业生产厂家来完成。对于冷却改造方案的选择，我们仅需了解相应的经验公式和经验数据。

由空冷器传热机理分析可知，实际影响空冷器运行效果的因素主要有两个：

（1）环境温度的影响：从对数平均温差公式中可以看出，环境温度的选择即设计气温对空冷器的影响较大，空冷器的设计气温值只允许每年有5天的日平均值超过它，因此一般取33℃或35℃。实际选取时考虑到有板式换热器存在，设计气温取值为30℃。

（2）管外污垢热阻的影响：空气侧的污垢热阻一般来说不会太大，但公司地处江浙沿海地区，工业相对比较发达，空气质量不是很好，空冷器早期运行时结垢不严重，随着使用年限的增加，空冷器的性能衰减较快。因此空冷器在夏季使用时要注意翅片的清洗工作。

2 冷却方案的选择及空冷器的设计

2.1 改造方案的选择

根据周边地区其他厂家的使用经验，由于早期建设的列管式换热器已经投产，为了将系统的不稳定性减小到最小的程度，决定在列管式换热器的管路旁边并联一套空冷器设备，这样既有利于开机时的平衡过渡，也能确保夏天具有备用机组。

被冷凝的酯化蒸汽流量较大，整套设备的热负荷约达7200 kW。这么大的热量全部由空气带走觉得浪费太大，也不符合国家倡导的节能要求。为了能够合理利用这部分热量，在空冷器旁又增加了一套板式换热器和一套制冷机系统。酯化蒸汽通过板式换热器将一部分热量传递给热水，被加热到90℃的热水作为制冷机的热源，驱动制冷机产生7℃的冷冻水供给全公司使用。整个改造方案流程详见图1双点划线部分。

空冷器与板式换热器的布置通过管道和阀门连接，既可以并联使用也可以串联使用。板式换热器只在夏天投入使用，带走约40%的热量。实际使用时板式换热器与空冷器串联布置，因此在夏天进入空冷器的热流体为水汽混合物。

2.2 空冷器的设计

空冷器是改造项目工艺流程中的关键设备，它是根据水蒸气的流量、冷凝热负荷及环境温度来设计的，设计工作由航空工业总公司第614研究所负责。按空冷器的设计程序先初选空冷器结构，然后进行传热和阻力核算，直至传热面积和流体阻力满足使用要求为止。

空冷器的冷、热流体分别为酯化蒸汽和空气，冷热两侧的传热膜系数相差很大，因此传热元件选用航空工业总公司第614研究所生产的管外侧带扩展传热表面 （翅片）的轧片式双金属换热管，以增加外表面积，补偿空气侧传热膜系数低的不足，提高传热效果。

翅片换热管的剖面图如图2所示。

图2 双金属轧片管

翅片换热管是空冷器的核心和关键元件，它的性能直接影响空冷器的性能和应用。双金属轧片管的优点是抗腐蚀性能好，使用寿命长，传热效率高，压降小，翅片整体性和刚度高。由于翅片牢固，不易变形，故可用高压水清洗。不足之处是接触热阻不衡定，当轧制质量不佳时，会导致内外管接触不良，使传热效果恶化。

所设计的空冷器为4片12 m长、1.5 m宽的管束，并按宽度方向并联布置。其换热管均选用SGG-57×2.3钢铝复合轧片管，其翅片外径为57 mm，片距2.3 mm，不锈钢衬管尺寸为Ø25 mm×2 mm，单位长度外表面积为1.657 m2/m（比光管面积大22倍），有效管长11.89 m。空冷器净迎风面积为11.9 m×5.21 m，共4排，管的排列方式为正三角形错排，共336支冷却管。总换热面积达7428 m2，设计裕度20%。

空冷器总风阻ΔPa为158 Pa，管程阻力ΔPw为6 kPa，均满足设计要求。

空冷器实物安装如图3所示。

图3 空冷器安装实貌

3 空冷器的特点

3.1 空冷器的优缺点

本次项目改造最主要的目的就是将列管换热器改为空冷器。空冷器与列管换热器相比较，具有如下优点：空气可以免费取得，不需要各种辅助费用；空气腐蚀性低，不需采取任何清垢和清洗的措施；由于空冷器的阻力约为100～200 Pa，因此运行费用低。缺点是：空气侧传热膜系数低，空冷器占地面积大；受环境影响大，通常不能将流体冷却到低温。空冷器和列管换热器各有自己的适用场合，但空冷器的优越性愈来愈受到重视，以空冷代替水冷的趋势仍在持续发展。列管换热器与空冷器的选用取舍取决于经济性及环境保护。

空冷器通常不能将流体冷却到低温，决定空冷器是否经济的一个重要指标为接近温差，即流体出口温度和空冷器入口空气温度之差。空冷器的接近温差一般大于20～25℃，否则不经济。

3.2 空冷器的通风方式

空冷器的通风方式是空冷器设计首先要考虑的问题，目前使用的空冷器主要有引风式和鼓风式两种，这两种型式各有其优缺点。

鼓风式是指空气先经风机再到管束。其优点是：在大气环境条件下风机功率消耗较小，对风机及传动机构材料无须特别要求，风机使用寿命较长，便于机械部件的维修；由于空气的紊流作用，管外侧传热膜系数略高。其缺点是：管束暴露于大气中，易受雨雪天气的影响，遭受污染和腐蚀；排出的热空气容易回流，产生热风再循环；风机出现故障时，自然抽风能力较差；噪声比引风式约高3 dB。

引风式是指空气先经管束再到风机。其优点是：风机和风筒对管束有屏蔽作用，能减少天气对管束的影响，有利于热流体出口温度的控制；风机出现故障时，自然通风能力较强；空气出口速度大，因而发生热风再循环的可能性很小。其缺点是：风机处于高温气流中，要求叶片和轴承有较好的耐热性能；需要的电机功率较大。

3.3 空冷器的运行

在空冷器实际运行过程中，我们发现大流量介质的空冷器容易引起短路，由于流量分配不均匀，导致热流体进入4片管束时大部分直接进入靠近进出口管路的那片管束，其他3片管束参与换热很少，从空冷器出口处几乎感觉不到热风。这种情况发生在板换与空冷器串联使用时，由于近一半的热量已经从板换带走，进入空冷器时已经变成水汽混合物，由于水蒸气冷凝成水后在管束中的流速非常低，流量很小，基本上从挨得最近的第一片管束中流过，形成了事实上的短路。

为了解决这个问题，我们把4片管束下方排污口相互连通，起到了很好的效果，具体详见图4。图中双点划线区域为增加管路部分。

图4 管束短路解决方案

4 运行结果与收益

4.1 运行结果

空冷器自2009年10月正式使用至今已有2年多的时间，设备工作可靠，性能良好，达到或好于设计要求。即使在满负荷的状态下，冷凝液的出口温度也低于设计温度85℃。

4.2 经济收益与投资回收期

对空冷器的经济分析是按下列实测的数据进行的。这些数据是：电价Ce为0.51元/千瓦小时，风机运行功率Cf为88 kW，水泵运行功率Cb为420 kW，年运行时间 Δt为8760 h/a，冷却系统总投资A为150万元 （不含板式换热器和制冷机）。

进气冷却所提高的功率ΔE按年平均温度降至15℃时的数值计，即按800 kW计，与上述实测数值相当，于是便可算出一年的经济收益ΔB。

考虑空冷器设备新增人工和维修成本等因素，取收益系数ξ=0.9，并按10年使用期折旧，则实际年收益为：

如果算上空冷器每年节约的冷却水，则投资回收期约为1年，因此整套空冷器改造项目的经济性十分良好。这里需说明的是，经济性分析未考虑板式换热器和制冷机的影响，由于制冷机系统的投资较大，总的投资回收期可能需要2～3年，但节能效果显著。

5 结论

（1）空冷器改造项目经济效益显著，投资回收周期短，以电力折算的年收益近150万元，1年就可收回投资。

（2）对于接近温差大于25℃时，空冷器比水冷却器更经济。

（3）改造方案选择恰当，在现有的管路系统中并联布置改造设备，既不影响原有系统的稳定运行，又节省了投资，夏天制冷机的使用最大化地利用了现有的能量。

（4）空冷器设计合理，计算准确，能满足使用要求，并留有较大的工作裕度。

（5）整个系统运行二年多来工作稳定，性能良好，不但节能、节水，获得了可观的经济效益，而且还因进一步满足了生产的需要，为公司创造了更丰厚的利润。

[1]马义伟.空冷器设计与应用 [M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[2]陈沛霖，岳孝方.空调与制冷技术手册 [M].上海：同济大学出版社，1990.

[3]朱聘冠.换热器原理及计算 [M].北京：清华大学出版社，1987.

[4]航空工业总公司第614研究所热能工程公司.金属轧片换热管·换热器 [M].无锡：第614研究所，1995.

Application of Air Cooler in Chemical Fiber Polyester Project

Guo Jie Cong Yue

Describes the application of air cooler in the chemical fiber polyester project.The temperature of esterifying steam was cooled down to 55℃from 100.5℃by cooling water tubular heat exchanger in original polyester production process,but now the cooling water tubular heat exchanger is replaced by air cooler and plate heat exchanger.After the transformation,the operating cost is greatly reduced,the operating power of original pump is 420 kW,and the power of air cooler and plate heat exchanger is 88 kW,it could save 332 kW,and no longer need cooling water,so the water and energy saving effect is obvious.The paper also describes the selection of cooling scheme,design and characteristics of air cooler,operating results,economic benefits,as well as the investment recovery period.

Air cooler;Tubular heat exchanger;Plate heat exchanger;Energy saving;Finned tube;Polyester

TQ 051.6

*郭杰，男，1967年生，工程师。桐乡市，314513。

2012-02-28）