【正文】 ６ ） 橢圓型翅片管 ? 橢圓型翅片管是德國沿著一條完全獨(dú)立路線發(fā)展空冷器的主要特點(diǎn) ， 其最早發(fā)明者是德國的 GEA公司 。 ? 但橢圓翅片管 ， 也有它的不足之處 ， 其主要缺點(diǎn)是： ? A． 管束的維護(hù) ， 檢修和更換管子比較困難； ? B． 管束的造價(jià)較高； ? C． 管束承受壓力較低 。 由于切口破壞了氣流的邊界層 ，增加湍流的作用 ， 傳熱效率大為提高 ， 一般講管外側(cè)給熱系數(shù)可提高 25～ 50%， 總傳熱系數(shù)可提高 20%以上 。 波紋管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 ， 由于在皺紋的凹處不能受到氣流的直接沖刷 ， 很容易結(jié)垢 ，且難以清除 ， 阻力比一般 L型繞片管高 60%左右 ， 因此 ， 翅片的皺紋 （ 或皺折 ） 部分不宜過高 。 圖 — 1. 增濕型濕式空冷器 圖 — 2. 噴淋蒸發(fā)型濕式空冷器 1— 管束； 2— 熱流體入口； 3— 空氣入口； 4— 循環(huán)水泵； 5— 排水管； 6— 供水管； 7— 閥門； 8— 擋水板； 9— 熱流體出口； 10— 熱空氣出口 ? 目前 ， 在煉油化工行業(yè)中普遍使用的空冷器為干式空冷器和濕式空冷器 （ 包括增濕型和噴淋蒸發(fā)型 ） 以及干濕聯(lián)合空冷器 。 噴淋蒸發(fā)型濕式空冷器 （ 見圖 — 2【 2】） 的工作機(jī)理是在空冷器 （ 管束多為立放橫排管 ） 的工作過程中直接向翅片管上噴霧狀水 ， 借助于翅片管上少量水的蒸發(fā)和空氣被增濕降溫而強(qiáng)化管外傳熱 ， 它同時(shí)兼有增濕型濕式空冷器的優(yōu)點(diǎn) ， 我國目前煉油化工廠使用的濕式空冷器大多屬此型式 。 ? 干式和濕式空冷器的工作機(jī)理決定了其冷卻效果均受環(huán)境氣溫影響較大 ， 氣溫波動(dòng) ， 風(fēng) 、 雨 、 日曬以及季節(jié)變化均會(huì)顯著地影響其冷卻性能 ， 故其操作彈性差 ， 在冬季還會(huì)引起管內(nèi)介質(zhì)凍結(jié)；由于空氣側(cè)膜系數(shù)低 ， 其傳熱面積要大得多 ， 因此必須采用翅片管 ， 故其投資較高 。 文獻(xiàn) 【 4】 后來也提出了與文獻(xiàn) 【 3】 相類似的蒸發(fā)空冷的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法 。 ? 國外開發(fā)研制出的蒸發(fā)空冷現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于壓縮機(jī)中間冷卻 、 透平引擎夾套水冷卻 、 潤滑油冷卻和其他無機(jī)物水溶液冷卻；美國 Brounder 造的蒸發(fā)空冷已用于許多大型硫酸廠 。 文獻(xiàn) 【 10】介紹了哈爾濱空調(diào)機(jī)廠在 1985年仿制了一臺(tái)美國 FES公司的 LS— 250型蒸發(fā)空冷代替茂名石化公司煉油廠第一套石蠟成型裝置制冷系統(tǒng)中的立式水冷器 （ 過熱氨氣冷凝器 ） ，并考慮了國內(nèi)氨壓縮機(jī)出口溫度高的情況 ， 將原引進(jìn)設(shè)備的全部換熱面積分出一部分置于捕霧器之上 （ 翅片管束 ） ， 對(duì)氨氣進(jìn)行預(yù)冷 。 文獻(xiàn) 【 15】 在文獻(xiàn) 【 14】 的基礎(chǔ)上針對(duì)蒸發(fā)空冷的幾何參數(shù)和性能參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ， 開發(fā)出了可供蒸發(fā)空冷設(shè)計(jì)的計(jì)算方法和相應(yīng)的電子計(jì)算機(jī)程序 ，并驗(yàn)算了文獻(xiàn) 【 4】 、 【 8】 的算例 ， 結(jié)果較為一致 。 文獻(xiàn) 【 18】 介紹了蘭州石油機(jī)械研究所針對(duì)煉油廠常壓塔頂冷換設(shè)備的腐蝕機(jī)理和特點(diǎn) ， 巧妙地利用蒸發(fā)空冷獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鈦材優(yōu)良的抗腐蝕性能 ， 于1997年為延安煉油廠設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)鈦復(fù)合板蒸發(fā)空冷 ， 從而解決了用戶常壓塔頂冷換設(shè)備腐蝕嚴(yán)重 ， 使用壽命短的問題 ， 同時(shí)又降低了設(shè)備造價(jià) （ 為用戶節(jié)省投資兩百萬元 ） 、 能耗 、 水耗和占地面積 。 水一面從管壁吸收管內(nèi)熱流體釋放的熱量 ， 一面又與穿過管束向上流動(dòng)的空氣接觸 ， 部分水蒸發(fā)進(jìn)入空氣中 ， 其余的水逐漸放出其吸收的熱量后恢復(fù)到其進(jìn)口水溫度 ， 流到貯水池中 。 在蒸發(fā)空冷中 ， 工藝介質(zhì)走管內(nèi)水平流動(dòng) ， 空氣 、 水走管外 ， 空氣由下向上流動(dòng) ， 噴淋水由上往下流動(dòng) ，水 、 空氣與工藝介質(zhì)為交叉錯(cuò)流 ， 水與空氣為逆流 ， 從冷熱介質(zhì)的流程布置上也強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)過程 。 ? 蒸發(fā)空冷一般采用光管為傳熱管 ， 如果采用翅片管 ， 從理論上講擴(kuò)大了傳熱和傳質(zhì)表面 ， 但這里用翅片管的優(yōu)越性不如干空冷那么顯著 ， 其主要原因是：翅片管表面無法完全被水濕潤 ， 翅片上水的成膜性很差 ， 而且翅片間的積水也會(huì)削弱翅片的作用 ，并使熱阻增加 。 為此 ， 當(dāng)工藝流體入口溫度高于 80℃ 時(shí) ， 將蒸發(fā)空冷中的除霧器用翅片管代替 ， 使高溫位熱流體先流經(jīng)翅片管束預(yù)冷到80℃ 以下再進(jìn)入光管管束進(jìn)行冷卻或冷凝 ， 使翅片管管束起到既冷卻又除霧的雙重作用 。 在合理設(shè)計(jì)下可使管內(nèi)熱流體出口溫度冷到接近環(huán)境濕球溫度 ， 固其冷卻效果好 ， 同時(shí)解決了干空冷為了獲得較低冷卻冷凝溫度而必須配帶后水冷器的問題 。 ? 從結(jié)構(gòu)上看蒸發(fā)空冷的最大特點(diǎn)是將冷卻塔和列管式水冷器合為一體 ， 從而省去了單獨(dú)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng) ， 使一次性投資大大降低；且減少了設(shè)備占地面積 ， 而且由于蒸發(fā)空冷的傳熱管為光管 ， 使設(shè)備造價(jià)進(jìn)一步降低 。 它主要由以下部件組成： 1. 位于設(shè)備頂部的引風(fēng)式風(fēng)機(jī)； 2. 位于風(fēng)機(jī)下方的除霧器； 3. 位于除霧器下方的噴淋水分配器； 4. 位于噴淋水分配器下方的光管管 束 。 它可使工藝流體出口溫度冷到接近環(huán)境濕球溫度 。 ? 與干式和濕式空冷器相比 ， 蒸發(fā)空冷具有以下優(yōu)點(diǎn)： ? 1. 傳熱效率高 ， 冷卻效果好 ， 所需傳熱面積小 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 。 ? 因?yàn)樵谡舭l(fā)空冷中空氣攜帶熱量主要是靠增加攜濕量帶走水的蒸發(fā)潛熱 ， 而不是靠空氣溫升顯熱 ，從而所需風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干空冷和濕空冷；而且由于采用光管管束 ， 空氣穿過管束的壓降小 ， 使風(fēng)機(jī)能耗進(jìn)一步降低；同時(shí)光管外表面水的成膜性好 ， 水的汽化潛熱很高 ， 在合理設(shè)計(jì)下 ， 可達(dá)到較高的蒸發(fā)冷卻效果 ， 水耗很低；與干空冷加后水冷相比 ， 它又省去了后水冷器 ， 固其操作費(fèi)用很低 。 ? 因?yàn)檎舭l(fā)空冷主要是靠管外水膜的蒸發(fā)而不是靠空氣溫升來帶走管內(nèi)的大部分熱量 ， 所以蒸發(fā)空冷對(duì)空氣入口溫度不敏感；同時(shí)管內(nèi)熱流體將其熱量通過管壁傳遞給水膜 ， 提高了水膜的溫度 ，同時(shí)引風(fēng)式風(fēng)機(jī)在管束中形成負(fù)壓 ， 從而增大了管外水膜的蒸發(fā)效率 ， 所以它對(duì)空氣入口濕度也不敏感；因此環(huán)境氣溫 、 濕度的波動(dòng)以及季節(jié)變化對(duì)蒸發(fā)空冷的冷卻效果影響較小 ， 固蒸發(fā)空冷的操作彈性大 ， 適用地區(qū)廣 ， 可操作性好 。 一 ﹒ 國外典型結(jié)構(gòu)型式及其特點(diǎn) ? 國外企業(yè) （ 德國 GEA公司 、美國 FES公司和 ）開發(fā)研制的蒸發(fā)空冷的典型結(jié)構(gòu)如圖 — 5所示 ， 它主要有以下部件組成： ? 1. 位于設(shè)備底部側(cè)面的鼓鳳式風(fēng)機(jī)； ? 2. 位于設(shè)備頂部的除霧器；3. 位于除霧器下方的噴淋水分配器； ? 4. 位于除霧器下方的光管管束； ? 5. 位于光管管束下方的水箱（ 收水盤 ） ； ? 6. 噴淋水輸送管線與管道泵。 ? 1. 假設(shè) ha/ka=Ca近似成立 ， 則空氣 — 水交界面與空氣流間的熱流量可用濕空氣熱焓差來表示； ? 2. 由于噴淋水蒸發(fā)量與其循環(huán)量相比很小 ， 僅占其循環(huán)量的 1～ 2%， 故在能量平衡計(jì)算中忽略水的蒸發(fā)量 ， 且不記輸送引起的水損失和排水損失 ， 即認(rèn)為在蒸發(fā)空冷中噴淋水流量不變； ? 3. 管束具有均勻完整的表面潤濕； ? 4. 蒸發(fā)空冷中干空氣流量不變 ， 且在其各橫截面上空氣流速均勻； ? 5. 在蒸發(fā)空冷中各傳熱系數(shù) 、 傳質(zhì)系數(shù)保持為常數(shù)； ? 從試驗(yàn)中獲得的 hrw和 ka值是給定幾何形狀的平均值，忽略實(shí)際存在的噴淋水進(jìn)入和排出的影響。 空氣由下而上流動(dòng) ， 它一方面吸收了水的熱量 ， 一方面使水蒸發(fā)而形成飽和濕空氣 ， 它的溫度和熱焓逐漸上升 。 三 ﹒ 傳熱、傳質(zhì)方程和能量平衡方程及其邊界條件 如圖 — 6和圖 — 7所示 ， 令蒸發(fā)空冷中各流體溫度 、 熱焓的變化均以沿其頂部向其底部方向增加為正 ， 在蒸發(fā)空冷的一維單元模型中取出任意一個(gè)微元段 dA來進(jìn)行傳熱 、 傳質(zhì)分析可得： 管內(nèi)工藝流體釋放的熱量： 空氣吸收的熱量為： 根據(jù)微元段 dA中局部能量平衡可得： 整理上述 （ 1） 、 （ 2） 、 （ 3） 式可得： H*只是噴淋水溫度的函數(shù) ， 即： 由于噴淋水是循環(huán)使用的 ， 在穩(wěn)態(tài)工況下 ， 蒸發(fā)空冷頂部噴淋水進(jìn)口溫度 Trw1應(yīng)等于其底部噴淋水出口溫度 Trw2， 即有： 管內(nèi)工藝流體與管外表面噴淋水之間的總傳熱系數(shù) U可由下式計(jì)算： 管外表面噴淋水與空氣流之間以熱焓差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù) Koa可由下式計(jì)算： 方程 （ 4） 、 （ 5） 、 （ 6） 是描述蒸發(fā)空冷傳熱特性的聯(lián)立微分方程組 ， 方程 （ 8） 是該方程組的邊界條件 。 如果噴淋水溫度為常數(shù) ， 則方程 （ 6） 中的 dTrw/dA就等于零 ，由此可得出在蒸發(fā)空冷中的每個(gè)地方都有： 對(duì)于一組給定的工作條件 ， U和 Koa（ 只取決于設(shè)計(jì)幾何參數(shù)和流速 ） 實(shí)際上保持為常數(shù) ， H*只與噴淋水溫度 Trw有關(guān) ， 如果 Trw為常數(shù) ， 那么 H*也保持為常數(shù) ， 則方程 （ 6a） 將導(dǎo)致以下兩種可能： (1) Ha和 Tpf必須保持為常數(shù) ， 但如果有熱量傳遞 ， 這就不合理了； (2) 當(dāng) Ha增加時(shí) Tpf下降 ， 而在逆流中這是不可能的 。 文獻(xiàn) 【 3】 認(rèn)為沒有采用這個(gè)假設(shè)而進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與采用這個(gè)假設(shè)的結(jié)果相差甚微 ， 因此這個(gè)假設(shè)是合理近似的 ， 因此方程 （ 11） 中的 m是適合于所涉及的噴淋水溫度范圍的比例常數(shù) 。 一 ﹒ 適用范圍與場(chǎng)合 蒸發(fā)空冷是一種將水冷與空冷 、 傳熱與傳質(zhì)過程融為一體 ，且兼有二者之長的新型節(jié)能 、 節(jié)水型高效冷凝冷卻設(shè)備；它具有傳熱效率高 、 投資省 、 操作費(fèi)用低 、 結(jié)構(gòu)緊湊 、 占地面積小 、 安裝 、 維護(hù)方便而且維護(hù)費(fèi)用低 、操作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)；適用于煉油和化工行業(yè)中。 ( 6 a ) )*()( aoarwpf HHKTTU ???第四節(jié)、 工業(yè)應(yīng)用 一 ﹒ 適用范圍與場(chǎng)合 二 ﹒ 應(yīng)用情況 三 ﹒ 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 四 ﹒ 應(yīng)用前景 ? 二 ﹒ 應(yīng)用情況 ? 國外開發(fā)研制的蒸發(fā)空冷主要應(yīng)用于制冷和空調(diào)系統(tǒng) ，如壓縮機(jī)中間冷卻器 、 透平夾套水冷卻器 、 潤滑油冷卻器 ，以及其它無機(jī)物水溶液冷卻器 ，在煉油 、 化工 、 電力 、 冶金等行業(yè)的應(yīng)用尚未見報(bào)道 。 因此噴淋水沒有以它從管內(nèi)熱流體那里獲得熱量的同樣速度把熱量傳遞給空氣流 。 hpf、 hrw、 hi、 ka這四個(gè)傳遞系數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)來測(cè)定 ， 根據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出這些傳遞系數(shù)的相應(yīng)關(guān)系式 ， 在此文中不再詳述 。 本文以下均采用該模型來推導(dǎo)蒸發(fā)空冷的傳熱 、 傳質(zhì)方程 。 蒸發(fā)空冷的典型溫度分布如圖 — 7（【 14】） 所示 ， 在其頂部 ， 由于工藝流體與噴淋水之間具有較大溫差 ， 從而具有較高的傳熱速率 ， 噴淋水被工藝流體迅速加熱 ， 工藝流體迅速降溫 ， 水溫迅速接近工藝流體溫度 ，相對(duì)來說由于水的蒸發(fā)引起的能量傳遞較低 ， 而在其余部分 ， 噴淋水和工藝流體均被冷卻 ， 因?yàn)檫@時(shí)的冷卻過程是由噴淋水與空氣流間的傳質(zhì)過程控制 。 ? 4. 國外開發(fā)研制的蒸發(fā)空冷大部分采用集合管式管箱 ， 管束由水平蛇形盤管組成 ， 管子與管箱的連接型式只能采用強(qiáng)度焊 ， 一旦有一根管子出現(xiàn)泄露 ， 則設(shè)備必須停車來更換其整個(gè)管束 ， 而且由于采用集合管式管箱 ， 在集合管上最多只能水平焊接二排管子 ， 所以其管程布置困難 ，管程壓降較大； ? 5. 只有一條噴淋水輸送管線和一臺(tái)管道泵 ， 一旦該泵出現(xiàn)故障 ， 會(huì)使設(shè)備的冷卻效果很差 ， 會(huì)造成設(shè)備停車檢修 。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 。 ? 從結(jié)構(gòu)上看蒸發(fā)空冷的最大特點(diǎn)是將冷卻塔和列管式水冷器合為一體 ， 從而省去了單獨(dú)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng) ， 使一次性投資大大降低；且減少了設(shè)備占地面積 ， 而且由于蒸發(fā)空冷的傳熱管為光管 ， 使設(shè)備造價(jià)進(jìn)一步降低 。 在合理設(shè)計(jì)下可使管內(nèi)熱流體出口溫度冷到接近環(huán)境濕球溫度 ， 固其冷卻效果好 ， 同時(shí)解決了干空冷為了獲得較低冷卻冷凝溫度而必須配帶后水冷器的問題 。 為此 ， 當(dāng)工藝流體入口溫度高于 80℃ 時(shí) ， 將蒸發(fā)空冷中的除霧器用翅片管代替 ， 使高溫位熱流體先流經(jīng)翅片管束預(yù)冷到80℃ 以下再進(jìn)入光管管束進(jìn)行冷卻或冷凝 ， 使翅片管管束起到既冷卻又除霧的雙重作用 。 上述前五個(gè)部件之間均采用翻邊