【正文】 噴淋水溫度有限變化的一個(gè)附加結(jié)果是假設(shè) Tpf、 Trw和 Ha的變化在空氣流動方向沿光滑曲線變化 ， 然而實(shí)際上通常蒸發(fā)空冷的布置是多管程的交叉流動 ， 對于 Trw是有限變化而且管程數(shù)比較大的情況 （ 如 10個(gè)管程 ） ， 這個(gè)假設(shè)是合理正確的 ， 要滿足的要求是每個(gè)管程的溫度和熱焓的變化與那個(gè)管程占優(yōu)勢的勢差相比較小 。 可以用解析法和數(shù)值法求解上述微分方程組 。 二 ﹒ 數(shù)學(xué)模型 ? 圖 — 7. 蒸發(fā)空冷溫度分布示意圖 圖 — 6. 蒸發(fā)空冷熱量傳遞示意圖 如圖 — 6（【 14】） 所示 ， 在蒸發(fā)空冷中熱量傳遞是從管內(nèi)流體經(jīng)過管壁傳遞到管外表面噴淋水膜中 ， 再從噴淋水膜傳遞給空氣流；從噴淋水向空氣的熱傳遞是由水膜與空氣流之間的直接接觸蒸發(fā)傳質(zhì)傳熱和水膜與空氣流之間的強(qiáng)制對流顯熱傳熱共同完成的 。 （二）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ? 國內(nèi)開發(fā)研制的蒸發(fā)空冷的典型結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： ? 1. 采用引風(fēng)式軸流風(fēng)機(jī) ， 其優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)機(jī)風(fēng)量大 ， 而且引風(fēng)式風(fēng)機(jī)向上抽吸空氣 ，從而在其下部空間形成負(fù)壓區(qū)域 ， 加速了位于其下方的傳熱管外表面水膜的蒸發(fā)效率； ? 2. 除霧器采用雙金屬軋制型翅片管束 ， 它既能高效除霧 ， 減少噴淋水損耗 ， 又可進(jìn)行高溫介質(zhì) （ 高于 80℃ ） 的預(yù)冷 ， 從而擴(kuò)大了蒸發(fā)空冷的適用范圍 ， 并增加了設(shè)備的傳熱面積； ? 3. 噴淋水分配器在設(shè)備運(yùn)行中即可方便的維護(hù) 、 清洗 、 更換噴嘴 ， 而且其噴淋水管線均采用不銹鋼管 ， 噴嘴采用聚氯乙烯材料制成 ， 并且將噴嘴安裝在噴淋支管的上部 ， 從而有效地減少了噴嘴堵塞的可能性； ? 4. 管束一般采用絲堵式組焊矩形管箱 （ 特殊情況時(shí)也可采用可拆卸蓋板式組焊矩形管箱 ） ， 管束由水平布置的單根光管組成 ， 管子與管箱的連接型式采用強(qiáng)度脹 、 強(qiáng)度焊或脹焊并用； ? 5. 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)構(gòu)架又作為風(fēng)機(jī) 、 除霧器 、 噴淋水分配器及光管管束的支撐體 。 ? 因?yàn)檎舭l(fā)空冷的管外傳熱是由管壁 — 水膜間的強(qiáng)制對流傳熱和水膜 — 空氣間的直接接觸蒸發(fā)傳質(zhì)傳熱兩步完成 ， 而水具有很高的汽化潛熱 ， 從而大大強(qiáng)化了管外表面的傳熱強(qiáng)度 ， 其傳熱強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管壁 — 空氣間的對流傳熱 ， 使蒸發(fā)空冷的總體傳熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干式和濕式空冷 ， 固其所需傳熱面積小 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 而且蒸發(fā)空冷可直接將管內(nèi)熱流體冷到較低溫度 （ 40℃ 以下 ） ， 而不再需要后水冷器 。 5. 位于光管管束下方的構(gòu)架與水箱； 6. 噴淋水輸送管線與管道泵 。 ? 2. 能耗和水耗小 ， 操作費(fèi)用低 。 ? 蒸發(fā)空冷一般適用于各種溫度低于 80℃ 的低溫位工藝流體的冷卻和冷凝 。 此時(shí)傳熱管的管外換熱除依靠水膜與空氣流間的顯熱傳遞外 ， 主要是依靠傳熱管外表面水膜的迅速蒸發(fā)來吸收管內(nèi)的大部分熱量 ， 從而強(qiáng)化了管外傳熱 ， 使設(shè)備總體傳熱效率明顯提高 。 文獻(xiàn) 【 16】 介紹了蘭州石油機(jī)械研究所于 1992年為蘭州煉油化工總廠設(shè)計(jì)制造了一臺蒸發(fā)空冷 ， 用于代替該廠第三套酮苯脫蠟裝置制冷系統(tǒng)的立式水冷器 （ 過熱氨氣冷凝器 ） ；根據(jù)用戶提供的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求 ， 蘭州石油機(jī)械研究所采用自行開發(fā)的蒸發(fā)空冷設(shè)計(jì)計(jì)算程序進(jìn)行了該設(shè)備的工藝計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì) 。 德國 GEA公司 、 美國 FES公司都在開發(fā)研制蒸發(fā)空冷 ， 其產(chǎn)品主要用于制冷和空調(diào)系統(tǒng) 。 ? 針對空冷器存在的上述問題 ， 國外有關(guān)研究人員于二十世紀(jì)六十年代開始了綜合空冷和水冷優(yōu)點(diǎn)的新型冷卻器 — 蒸發(fā)式冷卻器的理論和試驗(yàn)研究；我國研究人員也于二十世紀(jì)八十年代開始了相應(yīng)的研究開發(fā)工作 。 干式空冷器操作簡單 、 使用方便；但其管內(nèi)熱流體出口溫度取決于環(huán)境干球溫度 ， 一般以不低于 55～ 65℃ （【 1】） 為宜 ， 而且熱流體出口溫度與設(shè)計(jì)氣溫之差不得低于15～ 20℃ （【 1】 、 【 2】） ， 否則就不經(jīng)濟(jì)；所以它不能把管內(nèi)熱流體冷卻到環(huán)境溫度 。 其缺點(diǎn)是制造復(fù)雜 ， 造價(jià)較高 。 橢圓型翅片管是橢圓管套矩形鋼翅片 ， 采用鍍鋅或鍍錫處理 。 ? （ ５ ） ＤＲ型翅片管 （ 雙金屬軋制型翅片管 ） ? 雙金屬軋制型翅片管是較理想的抗腐蝕型管子 。 這樣就可使翅片與管子表面的接觸面積增大 50%，這就意味著單位面積的熱通量也降低50%， 因此翅片根部的熱應(yīng)力很小 ，甚至在幾千次熱循環(huán)之后 ， 仍然保持其接觸面積大于 L腳本身的面積 。 當(dāng)管壁溫度超過 70℃ ，翅片張力大大降低 ， 翅片開始松動 ，接觸熱阻增大 ， 熱工性能不夠理想 。目前我國煉油化工廠使用的濕式空冷器大多屬此形式 ， 其管束立放橫排管 。 ? （ 2） 濕式空冷器 ? 為彌補(bǔ)干空冷的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了濕式空冷器。 通風(fēng)方式 ? 空冷器按通風(fēng)方式分為：鼓風(fēng)式 、 引風(fēng)式 、自然通風(fēng)式 ． ? （ 1） 鼓風(fēng)式空冷器：管束置于風(fēng)機(jī)排風(fēng)側(cè)的空冷器 ． ? 優(yōu)點(diǎn)： ? a、 風(fēng)機(jī)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)不與熱空氣接觸 ， 結(jié)構(gòu)材料可不考慮溫度的影響 ， 使用壽命較長 ． ? b、 結(jié)構(gòu)簡單 、 便于維護(hù)保養(yǎng) ． ? c、 比較容易放置多個(gè)空冷器單元 ． ? 缺點(diǎn)： ? a、 空氣經(jīng)過底排管束的速度大 ， 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 ， 翅片管易被雪 、 雨侵襲而損傷 、 弄臟或腐蝕 ． ? c、 在特殊氣候條件下 （ 如暴風(fēng)雨 、 冰雹等 ）管內(nèi)熱流體的出口溫度不易精確控制 ， 操作波動大 ． ? d、 熱空氣離開管束時(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：管束置于風(fēng)機(jī)吸風(fēng)側(cè)的空冷器． ? 優(yōu)點(diǎn)： ? a、 風(fēng)扇和風(fēng)筒對管束有屏蔽作用 ， 能減少暴風(fēng)雨及烈日對管束的直接影響 ， 有利于溫度控制 ． ? b、 經(jīng)風(fēng)機(jī)排出的熱風(fēng)流速較高 ， 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)行自然對流 ， 因而可減少動力消耗 ． ? e、 因?yàn)轱L(fēng)機(jī)安裝位置較高 ， 所以平臺處噪聲較低 ． ? f、 占地面積小 ， 因?yàn)楣苁旅娴淖呃瓤砂惭b其它設(shè)備 ， 如管線 、 泵等 ． ? 缺點(diǎn)： ? a、 風(fēng)機(jī)位于管束之上 ， 直接受熱空氣作用 ， 葉片和軸承需要有較好的耐熱性能 ， 一般要求風(fēng)機(jī)出口溫度不超過 120℃ ． ? b、 為防止風(fēng)機(jī)空載時(shí)的超負(fù)荷 ， 風(fēng)機(jī)要有一定余量 ． ? c、 風(fēng)機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)的維修保養(yǎng)較為麻煩 ， ? 從總的情況看，目前國外應(yīng)用情況大約是：引風(fēng)式占 60%、鼓風(fēng)式占 40%。 ? 2． 冷卻水往往受水源限制 ， 需設(shè)置管線和泵站等設(shè)施； ? 3． 特別對較大的廠 ， 選廠址時(shí)必須考慮有充足的水源； ? 4． 水腐蝕性強(qiáng) ， 需要進(jìn)行處理 ，以防結(jié)垢和臟物的淤積； ? 5． 循環(huán)水壓高 （ 取決于冷卻器和冷水塔的相對位置 ） ， ? 故水冷能耗高； ? 6． 由于水冷設(shè)備多 ， 易于結(jié)垢 ，在溫暖氣候條件下還易生長微生附于冷卻器表面 ， 常常需要停工清洗； ? 7． 電源一斷 ， 即要全部 停產(chǎn) 。 ? 4） 在冶金工業(yè)中的應(yīng)用 ? 空冷技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用也比較成熟 ， 主要用于高爐 、平爐 、 金屬爐循環(huán)水的冷卻 。 五十年代末期 ， 英國的 WHIFEGATE煉廠和DOLYTON煉廠均以空冷取代了水冷 。 在二十世紀(jì)五十年代以前工業(yè)裝置上空冷器都是干空冷 ， 結(jié)構(gòu)型式和操作經(jīng)驗(yàn)很不完善 。取之不盡、用之不竭的空氣就自然受到了人們的重視。 ? 本來水是最理想的冷卻介質(zhì)，所以傳統(tǒng)的工業(yè)冷卻系統(tǒng)都是水冷。 這臺空冷器安裝在美國西部一個(gè)煉油廠 ， 作為排汽冷凝器 。 ? 我國自 1964年研制成功空冷器以來 ， 在煉油廠和石油化工廠迅速得到應(yīng)用 ， 從輕油到重油 、 渣油 ， 從正壓到負(fù)壓 ， 從炎熱的南方到嚴(yán)寒的北方 ， 從水源充足的地區(qū)到缺水地區(qū) ，都已成功地使用了空冷器 。 對于遇水易爆 、 易溶的有毒介質(zhì) ，采用空冷尤為合適 。 ? 實(shí)踐證明空冷器不僅可以節(jié)約大量用水 ， 防止對環(huán)境的污染 ，而且維護(hù)費(fèi)用低 ， 還較安全可靠 ， 與水冷相比 ， 還具有更長的使用壽命 ， 因此發(fā)展空冷器技術(shù)和設(shè)備即是節(jié)水 、 保護(hù)環(huán)境的要求 ， 也是節(jié)能的要求 。 ? （ 2） 斜頂式空冷器：管束斜放呈人字形 ， 夾角一般在60℃ 左右 ， 風(fēng)機(jī)置于管束下方空間的中央 。 ? 空冷器按冷卻方式分為：干式空冷器 、 濕式空冷器 、 干濕聯(lián)合式空冷器以及表面蒸發(fā)式空冷器 。 增濕降溫的空氣經(jīng)過擋水板除去夾帶的水滴后橫掠翅片管束；它仍然完全依靠空氣溫升來冷卻或冷凝管內(nèi)熱流體 。強(qiáng)化管外傳熱最有效的手段有兩種： ? a： 靠傳熱管外表面水膜的蒸發(fā)強(qiáng)化管外傳熱 — 表面蒸發(fā)式空冷器 ? b： 靠擴(kuò)展管外傳熱面積來強(qiáng)化管外傳熱 — 翅片管 （ 普通的干式和濕式空冷器 ） ? 翅片管是一種高效傳熱元件 ， 它代表著普通空冷器的主要特征 ， 是普通空冷器的核心和關(guān)鍵元件 ， 它的性能直接影響著普通空冷器的發(fā)展 ，在普通空冷器中翅片管的費(fèi)用約占管束總費(fèi)用的 60%以上 。 傳熱性能也比Ｌ型略好 ， 其價(jià)格比Ｌ型略貴 。 ? 其缺點(diǎn)是翅片和管子二種金屬在大氣中易引起電化學(xué)腐蝕 ， 抗腐蝕性差 ， 造價(jià)高 。 傳熱性能較好 ， 介于Ｇ型和Ｌ型翅片管之間； ? C． 翅片整體性和剛度高 ， 由于翅片牢固 ，不易變形 ， 可用高壓水 、 高壓氣清垢；同時(shí)由于內(nèi)外管緊密結(jié)合 ， 能長期保持高傳熱性能 。 ? （ 7） 紊流式翅片管 ? 這一類翅片管形式很多 ， 其共同點(diǎn)就是通過對翅片本身結(jié)構(gòu)的改變 ， 使空氣流經(jīng)翅片時(shí)產(chǎn)生擾流 ， 破壞其邊界層 ， 以提高管外膜傳熱系數(shù) 。 五、表面蒸發(fā)式空冷器 ? 1. 概述 ? 2. 結(jié)構(gòu)型式 ? 3. 設(shè)計(jì) ? 4. 工業(yè)應(yīng)用 第一節(jié) 概述 ?一、背景 ?二、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ?三 ﹒ 工作原理與特點(diǎn) 一、背景 ? 空冷式換熱器 （ 以下簡稱空冷器 ） 是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì) ， 依靠翅片管擴(kuò)展傳熱面積強(qiáng)化管外傳熱 ， 靠空氣橫掠翅片管束后的空氣溫升帶走管內(nèi)熱負(fù)荷 ， 達(dá)到冷凝冷卻管內(nèi)熱流體的目的；它在煉油 、 化工行業(yè)中是主要的工藝設(shè)備之一 ， 故其研究倍受重視 ， 從其設(shè)計(jì) 、 制造 、 結(jié)構(gòu)改進(jìn)到其傳熱機(jī)理的研究與試驗(yàn)一直都在進(jìn)行 。 濕式空冷器僅適合于冷卻進(jìn)口溫度低于 70～ 75℃ （【 1】 、【 2】） 的熱流體 （ 如果熱介質(zhì)進(jìn)口溫度高于 80℃ 時(shí) ， 翅片管表面極易結(jié)垢 ） ， 它可將熱流體冷卻到高于環(huán)境濕球溫度 5℃ 左右 （【 1】） 。 文獻(xiàn) 【 8】 提出了三種不同結(jié)構(gòu)型式的蒸發(fā)空冷芯子的設(shè)計(jì)方法 ，并以實(shí)例計(jì)算進(jìn)行方案比較 ， 得出的結(jié)論是通過適當(dāng)使用填料而不用翅片管增加傳質(zhì)面積 ， 即可大大提高光管蒸發(fā)空冷的冷卻性能 。 文獻(xiàn) 【 11】 介紹了洛陽石化工程公司針對蒸發(fā)空冷在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了三個(gè)試樣 、 多種工況的試驗(yàn) ， 對其傳熱性能進(jìn)行了研究 ， 對各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了篩選 ， 推導(dǎo)了傳熱方程式 ， 并按照煉油廠常減壓裝置汽油 、 煤油 、 輕柴油和重柴油產(chǎn)品后冷的工藝要求 ， 分別進(jìn)行光管蒸發(fā)空冷和管殼式水冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算 ， 對兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析；并和西安化工機(jī)械廠共同于 1987年研制了一臺蒸發(fā)空冷 ， 在長嶺煉油廠進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)和技術(shù)標(biāo)定 （【 12】） 。 三 ﹒ 工作原理與特點(diǎn) ? 圖 — 3. 蒸發(fā)空冷工作原理示意圖 蒸發(fā)空冷布管示意圖 ? 蒸發(fā)空冷的結(jié)構(gòu)與工藝流程如圖 — 3所示 。 ? 在蒸發(fā)空冷中噴淋水一面循環(huán)噴淋一面蒸發(fā) ， 則噴淋水中的鹽類濃度逐步增大 ， 達(dá)到一定程度會在管外壁上結(jié)垢 ， 會使設(shè)備傳熱性能下降 ， 所以應(yīng)將貯水池中的水連續(xù)或定期排放出一部分 ， 以把鹽類濃度控制在產(chǎn)生污垢的界限以下 ,為此要給貯水池中補(bǔ)充一定量的新鮮水以保持水中鹽類濃度 ， 防止管外結(jié)垢 ， 并補(bǔ)償蒸發(fā)的水量和排放的水 。 ? 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)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