浅析表面蒸发式空冷器

郭俊峰 尤烨龙

（西安喜而沃化工机械设备有限公司，陕西 西安 710032）

空冷器作为石油化工、炼油、冶金、电力、制冷、轻工、印染等过程设备中的一个重要冷换设备，目前已被广泛应用。空冷器的优点很多，如减少污染、节约能源、不受选址限制等。空冷器按冷却方式分为干式空冷器、湿式空冷器、干湿联合空冷器[1-4]。其中，表面蒸发式空冷器为湿式空冷器的一种，在石油化工领域应用较多，主要是干式空冷器不能满足换热效果的补充应用。随着技术的改进和发展，表面蒸发式空冷器越来越多地应用在各个领域，以减少或者替代管壳式换热器。

表面蒸发式空冷器对介质出口温度接近当地最高温度的空冷器尤为明显，其可以利用水的汽化潜热带走大量的热量，从而得到更好的换热效果。当介质进口温度高于80℃时，可以先让表面蒸发空冷器的干式空冷器部分进行预冷却，使其进入光管换热时其温度在80℃以下，这样能有效减少喷淋水对光管的结垢影响[5]。

1 表面蒸发式空冷器运行原理

表面蒸发式空冷器的运行原理是空气经下部的进风百叶进入设备内部，在引风式风机的强力作用下，冷空气自下向上流动，离心水泵将喷淋水送至光管上部的喷淋装置中，再由喷嘴将水均匀地喷到光管外表面上，形成水膜，光管内的高温介质与管外的喷淋水及空气进行热交换，轴流风机强制空气以5m/s～7m/s 的速度通过换热管外表面，管内高温介质逐渐被冷却，管外喷淋水蒸发带走热量，使部分喷淋冷却水变成水蒸汽，水蒸汽穿过喷淋系统上方的收水器（捕雾器），除去湿空气中夹带的水滴后从风机出口排入大气。同时在轴流风机的作用下，使换热管处形成负压区，进一步加速管外水膜的蒸发，加快管外传热，从而提高了机组的换热效果。未被蒸发的水在下落的过程中被空气冷却，并均匀下落到水箱中再次循环使用。进水阀自动补充水箱内的冷却水，使其保持一定的水位，保证正常循环进行[6-7]。

对于介质入口温度高于80℃的产品设计时，须在喷淋与风机之间设计干式空冷器，进行预冷却以解决由于温度过高而引起光管结垢的问题。翅片管采用低翅管，管排数4～6排较为合适，加上捕雾器，其收水效果更为明显，同时达到消白的目的。介质先进入上部的翅片管束，进行预冷却，再进入下部的光管管束进行蒸发冷却。以保证其最大程度地节约资源，使降温后的湿空气进入上部翅片管外表面，将介质进行冷却。

2 结构特点

表面蒸发式空冷器按其结构特点可以分为两种：一种为丝堵式表面蒸发空冷器，也叫直管式表面蒸发式空冷器，简称蒸发冷；另外一种是复合型表面蒸发式空冷器，也叫U 型管表面蒸发式空冷器，简称复合冷。

2.1 丝堵式表面蒸发空冷器

丝堵式表面蒸发空冷器的管箱为矩形丝堵式结构，换热管为直管，每根管的两端对应处设置丝堵作为密封。从下向上依次布置：水箱、进风百叶、光管管束、喷淋水管、捕雾器、翅片管管束、引风式风机。对光管管束，其换热管为碳钢时，须对换热管进行热侵锌防腐处理，以增加设备的使用寿命[4]。这样能解决光管95%的防腐要求，但对于管板附近的换热管外表面不能很好地处理，如果整根换热管做镀锌处理，与管板连接处因为有镀锌层，胀接或焊接均容易产生泄露。

这种蒸发式空冷器有较高的综合效益，在蒸发段光管管束上可以布置较多的换热管，使得这种空冷器的结构更为紧凑。管箱采用方箱丝堵式管箱（特殊介质时也可采用可拆卸盖板式组焊矩形管箱），根据其压力损失、流速大小、换热效果可以自由分配管程数，已达到最佳设计使用效果。同时，丝堵式管箱方便以后的检修。对于单根换热管的管头泄露，只需打开相对应的丝堵，对其进行胀接或焊接即可；对于单根换热管中间部分腐蚀泄露，可卸下对应的丝堵，用堵头将管子两头堵住，不让介质流通次换热管即可。一般在设计的富余量允许下都可以进行堵漏。在设计时还可以将喷淋管与下部的光管侧梁做成一体，以减少在运行过成过程中的水泄露。

其实有翅片管束的表面蒸发式空冷器可作为另外一种干湿联合空冷器来对待，翅片管作为干式预冷却管束。翅片管管束一般设计成一管程，也可以为多管程，翅片管位低翅（翅高12.5mm）双金属轧制，由于双金属型翅片管的轧片管与基管紧密配合，完全克服了L 型翅片管由于对基管外表面覆盖不严而造成的结垢和电化学腐蚀的缺点。显著提高了换热效率，延长了使用寿命。翅片间距大于2.8mm 翅片管，这样设计为了引风式风机的一定的穿透力，保证其设计空气侧的流速为5m/s～7m/s，翅片管一般设计成4～6 排管，这样翅片管还有一个捕雾器的作用（见图1）。让自下而上的湿热空气，将水蒸汽阻挡在设备内部，继续循环，从而减少耗水量。翅片管束的介质出口法兰端即为光管管束的进口端，两者之间用U 型接管连接。介质的进出口法兰均在设备的两侧。

图1 丝堵式表面蒸发空冷器

构架与水箱连成一体，下部为水箱，上部为带有百叶窗的进风口，且其四周均为进风口；同时水箱作为风机、除雾器、喷淋水分配器及光管管束的支撑体。在管束下部四周设置了挡水板，在水箱上部四周设置了收水槽，从而减少了喷淋水外溅造成的水损失或对设备周围平台的溅水。水箱的底部带有安装底座，只需在基础上预置地脚螺栓即可进行设备安装。

喷淋水输送系统由两条管线和两台管道泵组成，两套喷淋送水系统在设备的两侧，它们与喷淋水分配器端部的横向主水箱连通，二条喷淋系统在设备工作时一用一备，以便确保设备运行时喷淋水分配器正常工作；横向主水管两端设置了控制阀，在水箱底部设置了排污口，这样可保证在冬季时设备的备用泵管线内喷淋水能够完全排放干净，以免冻裂水管和备用泵。

2.2 复合型表面蒸发式空冷器

复合型表面蒸发式空冷器实际上就在丝堵式表面蒸发空冷器的基础上进行改进，将其丝堵式表面蒸发空冷器的进出口汇总方型管箱改为圆管管箱，换热管方向延设备宽度方向布置。由于水流向下沿换热管流动，而风在引风式风机作用下，向上流动，在换热管外表面与下降的水呈不同的方向，因此为复合型表面蒸发式空冷器。

管箱只在介质进（出）口换热管汇总处设置圆形管箱（也可以根据介质需要设计为半圆管箱、盖板式管箱等），中间各管程的连接均为U 型弯头。这样的设计减少了管箱的高度，同时克服了由于热胀冷缩引起的各管程热膨胀量。管箱设置在管束的宽度方向，换热管直端长度为2.7m，1.5m～2.5m宽度排布换热管，从而形成模块化结构，对于碳钢换热管在每个模块制作完毕后先整体进行478℃的热浸锌防腐处理，以增加换热管的使用寿命。根据换热量的不同，随意增减模块即可，1～2 模块设计1 台引风式直联风机，每个模块外面用喷塑板包装，美观大方[8-9]。

也可以在冷凝盘管上方在设计翅片管束进行介质的预冷却，翅片管多做加工成钢带高频焊，以便可以整体热镀锌，起到保护翅片管的作用。这样可以最大化地利用资源，翅片管束与冷凝盘管之间设置喷淋、捕雾器，两者之间介质进出口用U 型弯头连接（见图2）。

图2 复合型表面蒸发式空冷器

3 两种表面蒸发式空冷器的比较

虽然两种表面蒸发式空冷器在运行原理上基本相同，但在具体设计、使用条件等还是有很大的区别，具体如下：丝堵式表面蒸发空冷器主要用在石油炼化，如催化装置、重整装置、芳烃回收装置，容易堵塞的介质，这样每根换热管的两端对应的丝堵打开，就可以进行清理；但对进出口温差大于80℃的介质，需要做成分解管箱，由于管箱质量较大，不宜做分解管箱进行消除热膨胀产生的应力。这种空冷器的配管相对简单，单台设备为两进两出，但对于压降要求不高的工况下，换热效果不受影响，可以采用该空冷器解决其方便检修、安装简单、黏度较高的介质。

设计压力在2.5MPa 以上的空冷器，对于丝堵式表面蒸发空冷器不太适合，方箱型管箱受结构限制，其受力不好，若压力增大管箱管板厚度大幅度增加，且管板与换热管必须采用强度焊+贴胀，制作成本会大幅度增加。若采用复合型表面蒸发空冷器，设计压力基本不受限制，使用温度也不受限制，由于中间管程采用U 型换热管，很好地解决了热胀冷缩的问题；且空冷器没有丝堵或者丝堵较少，这样大大降低了泄露的风险，对于易燃易爆有毒介质尤为合适；但同时其由于换热管之间均为U 型弯头连接，一旦有换热管泄露发生，须将此整根换热管（有可能为10 层以上）堵塞，这样对换热效果影响较大。U 型管对于流速较高的介质，长时间运行，在U 型弯处会有一定的冲刷，如果再有腐蚀，这样会影响其使用寿命。每个模块均为两进两出，在减少压力降方面有很好的优势，但同时大大增加了现场配管工作量[10]。

两种蒸发空冷器具有相同的换热效果，根据具体使用的局限性、制造、占地面积、运行、维修等方面进行对比，具体见表1。

表1 两种表面蒸发式空冷器的比较

丝堵式表面蒸发空冷器的进出口在长度方向两端（见图1），受运输限制，宽度（含管位）不能超过3300mm，在现场须用U 型弯头连接翅片管管束与光管管束，介质进出口接管均为两个。整体安装完成，宽度一般在3500mm，每台之间须预留检修通道（1500mm）。喷淋管线及循环泵、阀门是两套独立的系统，一用一备，在宽度方向左右两侧。

复合型蒸发式空冷器是模块化设计，整体管束的宽度方向作为模块的长度方向，模块的宽度一般设计不大于2500mm，这样在设计时可以不考虑管束运输超限问题。现场安装完毕后，两个水泵分别在设备的两端（长度方向），进出口管线在设备的两侧或单侧（宽度方向）。

4 表面蒸发式空冷器的制造要求

表面蒸发式空冷器的制造，须严格按图纸设计尺寸制作，并将尺寸误差控制在允许范围内。以保证整套表面蒸发空冷器密封性好、不允许漏水；风机的风筒直径严格按图纸设计要求进行，直径偏小，会影响叶片的高速运转，直径偏大，会影响风机的使用效果，有可能达不到风机风量的设计要求。

丝堵式表面蒸发空冷器，其翅片管束、喷淋、光管管束的侧梁均由8mm 的钢板折弯而成，上下用螺栓连接，各部件之间的连接孔间距误差小于1.5 mm，外形尺寸误差小于2mm，对角线误差小于4 mm。两者相连的部分垫上8mm 的橡胶板，并在橡胶板的上下表面涂上密封胶，以保证水在循环过程中不向外泄漏。对于光管管束换热管，其外表面需要热浸锌（或喷锌）防腐处理[11]。

复合型表面蒸发空冷器，对碳钢材质换热器的盘管，在盘管制作完毕后，整体进行478℃的热浸锌防腐处理，其外框架的尺寸要求更严格，其直线度、对角线误差不得大于1.5mm，以保证在外侧固定包装板式的准确性。在固定包装板时，须在包装板之间、包装板与冷凝盘管框架接触面加上40mm×5mm 的密封胶带，已保证其运行过程中水不会向外泄漏，用M5 带密封垫的自攻丝将其各个部分全部连接，自攻丝的间距须小于150mm。

5 表面蒸发式空冷器的安装及运行

将水箱用地脚螺栓固定在基础上，把光管管束/盘管模块放置于水箱上，之间须加密封胶带。连接喷淋管线，将PVC 喷淋管线连接好后，再用密封胶将其周围密封，最后将伞型喷淋头固定于喷淋支管上。安装捕雾器（收水器）；最后将风筒、风机用螺栓固定于设备最上端。

在安装时须注意泵、阀门的进、出口方向。若安装后其空冷器各部件有漏水的地方，须用钢结构密封胶将其密封。对于较大的地方可以先用发泡胶或其他合适材料填充，再用密封胶密封。总之，安装完毕后不能出现有漏水的地方，以减少运行过程中水资源的浪费及保证平台的干燥。

设备在运行时，先开启喷淋系统，正常工作时水压应稳定0.4MPa 左右，再开启设备介质阀门，以免由于介质温度过高，而将PVC 喷淋管及喷头因为受热而损坏。但随环境变化及处理量波动时，可通过浮球阀门进行相应地自动调节，补水阀（进水阀）应保持常开状态，补水阀的浮球应定期检查是否完好，每天检查水压与水质是否符合操作规定（见表2），同时注意水箱的水位须高于泵吸入接管。冷却水在进入机动泵时，应进行过滤，其杂质最大颗粒度不大于1mm。夏季应随时测定其水箱的水温，如果水箱水温高于设计值，应及时补充、置换其水箱的水。

表2 喷淋水质指标

6 表面蒸发式空冷器的应用

目前石油化工各领域需要冷却的场所愈来愈多，由于表面蒸发式空冷器具有节能、高效等特点，其使用较为广泛，因此产生的经济效益也尤为明显，下面通过实例来加以说明。

山东某石油化工厂的混合石油戊烷分离装置采用表面蒸发式空冷器代替干式空冷器和后水冷器的方案，对原装置进行了节能改造。在进出口温度、流量、压力等相同工况下，其经济性进行了比较，见表3。

从表3 可以看出，尽管技术改造后设备的投资增加了，但改造后用电能耗降低了17.1%，共用工程消耗相应减少了48.5%，操作费用降低了27%，从而其经济效益明显提高。在多年的实际工作中，表面蒸发式空冷器可以应用于氯乙烯装置、重整装置、轻烃回收装置、氨制冷等多个领域。

表3 表面蒸发式空冷器与干式空冷器+后水冷器的经济比较

7 结论

该文介绍了表面蒸发空冷器的原理、特点等方面，说明其在节水、节能、运行成本少、结构紧凑、高效等方面有显著的优势，可以实际应用到石油、炼化、化工、医药、钢铁等领域。在以后换热方面，弥补干式空冷器的缺点，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积极的推进作用。