1、,湿式空冷器,空冷与水冷的比较,水冷和空冷是目前工业装置中最重要的两种冷却方式。这两种冷却方式各有优点和不足，选用时要视具体情况。如果冷却水供应困难，又要求严格控制环境的污染，自然选用空冷器；如果厂地面积、空间都受到限制，水源也无问题，也就只有选用结构紧凑的水冷器。但在一般情况下需作全面比较，因为影响因素比较复杂。有关专家已作了许多分析和比较，一般都认为空冷优点多于水冷，所以即使在水源比较充足的地方，也推荐采用空冷。 空冷的最大优点就是节水效果好，对环境污染小，操作费用低，缺点是占地面积（或空间）大，一次性投资多，受到介质温度、环境温度的限制；水冷的最大优点是结构紧凑，安装费用低，但操作费用高
2、，对环境污染严重，具体比较如表 1-1和表 1-2。,如图 1-1 所示的空气冷却、凉水塔冷却、蒸发冷却及开放式（管壳 式）水冷却等四种冷却方式进行了比较，其结果示于表 1-3。从表中可以看出，在20 个比较项目中，空冷只有两项劣于平均值，一项接近平均值，其余均优于平均值。,空气冷却系统流程图,凉水塔冷却系统流程图,蒸发冷却系统流程图,开放式一次冷却系统流程图,注：-优于平均值；-平均值；-劣于平均值；-不适用,我国有工程技术人员从经济观点对这两种冷却方式进行过对比，如对南京炼油厂减压塔顶冷凝器改造前后进行对比。该厂改造前为水冷，含油污水约 150103kg/h，占全厂污水量的 28%，新鲜水
3、耗量达 400103kg/h 以上，全部改为湿式空冷后，工业用水降到 1%，污水处理费降到 1.3%，一次投资虽然多了些，但操作费可大大节约，两、三年即可回收全部投资。 美国有人从节能观点，举了三个实例进行详细比较。如表 1-4 所示。对比的条件为：设备使用期 15 年，每年运转 8400 小时，预计五年的燃料和能量消耗以及相同期间内的设备折旧费。这样工艺设计费可能增加，但可从最经济地操作中获得最大经济效益。从表 1-4 中不难看出，例 1 无疑用空冷最好；例 2 补偿期未超过五年，仍以选空冷为好；例 3 虽然用水冷最经济，但每年要消耗 8000 美元的水，会造成污染，仍可考虑空冷。,空冷器的
4、选择,在充分进行选用水冷还是空冷的论证后，在认为用空冷不仅能满足工艺要求，而且从能耗、水耗、平面布置都比较合适的情况下，还必须从性能和经济性等方面考虑，确定是选用干式空冷还是选用湿式、联合式、蒸发式、板式空冷。通常情况下,可按管束布置方式、通风方式和冷却方式不同选用。,管束布置方式,管束布置型式虽有多种，但在炼油厂、石油化工厂中应用最多的是水平式，其次是斜顶式、立式和圆环式。(a)-斜顶式；(b)-水平式；(c)-之字式；,(d)-立式；(e)-圆环式；(f)-V 字式,1.水平式空冷器,管束为水平放置，但作冷凝器时，为防止冷凝液停留在管子中，管子应向介质出口方向有 1%的倾斜。百叶窗置于管束
5、上方，风机置于管束下方（鼓风式）或上方（引风式）。水平布置的特点是：管子布置清晰、整齐，适于多单元组合；传热面积、管束长度不受限制；造价比斜顶式大约低 0.5%；管内热流体和管外空气分布比较均匀。新建的大型炼油厂一般都采用此种型式。,2. 斜顶式空冷器。,管束斜放呈人字形，夹角一般在 60左右，百叶窗也斜放呈人字形置于管束外侧，风机置于管束下方空间的中央,换热管有水平放置和斜立式放置两种。其优点是：占地面积小（比水平式少 40%50%），结构紧凑（见图 1-2a）。但管内介质和管外空气分布不够均匀，热空气容易形成较严重的热风再循环，成本也较高，一般多用作汽轮机冷凝器，与立式管束配合，用于干-湿
6、联合空冷以及适用于老厂改造或场地比较小的场合。,3. 立式空冷器。管束立放，风机置于两管束中间之顶部外侧面（图 1-2d）换热管有水平放置和立式放置两种。优点是结构紧凑，占地面积小，但管束中空气分布不均匀，易受外界自然风的干扰，管束不宜太长，多用于湿空冷、联合空冷和小型冷却装置，如用作压缩机、内燃机、冶金高炉等循环水的冷却器。 4. 圆环式空冷器。多排管束立放排成圆环形，风机位于上部中央（图 1-2e）。这种形式结构紧凑，适于安装在塔顶作冷凝器，不占用土地。但风机容量受到限制，空气流速变化范围较窄，灵活性差。,通风方式,采用何种通风方式，乃是空冷器设计者首先考虑的问题。从空冷器的发展史上看，最
7、早的空冷器是靠自然通风，也称无风机空冷器，它的最大优点是不消耗动力、无噪声，但热负荷小，散热效率低。目前在用的主要是鼓风式和引风式两种。这两种型式各有其优点和缺点，人们的评价也不尽相同，但从总的情况看，一般倾向于用后者，目前国外应用情况大约是引风式占 60%，鼓风式占40%。国内干式空冷中多用鼓风式，在湿式空冷、蒸发空冷、板式空冷上多用引风式。 其优缺点如下：,鼓风式空冷器,优点： A. 风机和传动机构不与热空气接触，其结构材料可不考虑温度的影响，使 用寿命较长； B. 结构简单，便于维护保养； C. 比较容易设置多个空冷器单元。 缺点： A. 气流经过底排管束的速度大，压力损失大，虽然可以强
8、化传热，但气流 分布不均匀； B. 管束暴露于大气中，翅片管易被冰雹、雨雪和风沙侵袭损伤、弄脏或腐 蚀； C. 在特殊气候条件下，管内热流体的出口温度不易得到精确控制，操作波 动大； D. 热空气离开管束时，流速较低，有可能产生热风再循环现象。,2. 引风式空冷器,优点： A. 风叶和风筒对管束有屏蔽作用，能减少暴风雨及烈日对管束的直接影响，有利于温度的控制； B. 经风机排出的热风流速较高，约为吸入速度的 2.5 倍，故热风再循环的可能性大为减少； C. 进入管束的气流分布较均匀，空气压降稍有降低； D. 风筒具有一定的吸风作用，能促进空气进行自然对流，因而可减少动力消耗； E. 因为风机安
9、装位置较高，所以平台处噪声较低； F. 占地面积小，因为管束下面的走廊可安装其他设备，如管线，泵等。,缺点： A. 风机位于管束之上，直接受热空气作用，叶片和轴承需要较好的耐热性能，一般要求风机出口温度不超过 120； B. 为防止空载时的超负荷，风机要有一定的余量； C. 风机及传动机构的维修保养较为麻烦。,造价：引风式的造价比鼓风式低，其理由是鼓风式的构架比引风式的复杂，而且后者在制造厂内的预装配程度较高。在工地安装时的费用只有鼓风式的 80%，因此，引风式的总造价比鼓风式的低。 动力消耗：按理论上的功率计算方法计算，引风式比鼓风式约大 5%。但美国HUDSON 公司对两台条件相似的鼓风式
10、和引风式空冷器进行对比试验表明，后者所消耗的功率在一定条件下并不比前者大，反而在功率相同的情况下，由于引风式的排风体积流率大于鼓风式，因而相对来说还要小。相当于在引风式出口空气温度比鼓风式高 55时二者具有相等的质量流率，也即当二者的排风温度差小于 55时，引风式的功率消耗较低。由于引风式具有较多的优点，所以目前多采用引风式,冷却方式,1、干式空冷器： 就是仅依靠空气温升带走热量，靠翅片管和风机强化传热的空冷器。操作简单，使用方便，但由于其冷却温度取决于空气的干球温度，其接近温度（热流出口温度减去冷流入口温度）高于 1520时才经济，只能把管内热流体冷却到高于环境温度 1520。所以，被冷却介
11、质的最终冷却温度，一般应比设计空气温度高 15以上，如需进行更低温度的冷却（如接近环境空气温度）则应采用湿式空冷器。,湿式空冷器,就是依靠空气温升带走热量，靠翅片管和风机及喷雾水增湿降温强化传热的空冷器。在传热过程中有少量的蒸发传热，是为了弥补干空冷的缺点而开发出的一种空冷器(如图 1-5)。湿式空冷器综合了空冷和水冷的优点。出现于20 世纪五十年代，发展于 20 世纪 60 年代，在英国、美国、德国、墨西哥等世界各地的炼油厂，化工厂和气体加工厂中广泛采用。我国目前主要用于炼油厂的常减压塔顶，汽油再蒸馏、丙烷脱沥青、酮苯脱蜡等装置中的冷凝、冷却过程。 湿式空冷器根据喷水方式基本可分为增湿型、喷
12、淋型和表面蒸发型三种，在石油化工厂中，以前两种为主，一般都可把热流体出口温度冷却到接近环境湿球温度。,增湿型空冷器,如图 1-5a 所示，它是在空气入口处喷雾状水，使干燥的空气增湿接近饱和温度，且降温。增湿后的低温空气经过挡水板除去水滴，再横掠翅片管束，干空气相对湿度愈小，增湿后降温愈多，冷却效果也愈显著，所以增湿空冷器应用在干湿球温度差较大的干燥地区特别有效，它不存在在翅片上结垢的问题，可以采用新鲜水作喷雾水。管内热流体的入口的温度可在5090之间，出口温度可冷却到稍高于环境空气温度。 表 1-5 列出了国外几个干燥地区的干、湿球温度，从表中可以看出，墨西哥地区相对湿度为 27.1%，即干湿
13、球温度相比下降了16，这是很可观的。,喷淋型湿式空冷器,其典型结构如图 1-5b 所示。这种空冷器是直接在管束的翅片管上喷雾状水，使翅片表面完全被水湿润，它不仅可以降低空气进入管束时的温度，而且依靠翅片表面上水的蒸发带走大量的热，可使热流体出口温度冷却到等于或略低于环境空气温度。我国目前炼油厂使用的湿式空冷器大多属此型式。喷淋用的水量仅为水冷器的 2%3%，即可使其管外膜传热系数比干空冷提高一倍，传热面积减少 15%25%左右。也有人通过试验证明，喷 3%的水，传热强度可比干空冷器高 24倍。,这种湿式空冷器由于操作参数的不同，水蒸发所带走的热负荷也不相同。文献1把水蒸发带走的热负荷分为两种，
14、对这两种蒸发式空冷器与最佳设计的干空冷器在传热量、相对占地面积、理论功率消耗等方面进行比较的结果，如图 3-4、3-5、3-6所示。从这三个图中可以看出：50%蒸发设计负荷与干空冷器相比，其传热量约提高 1.62.5 倍，占地面积约减少 3/4，功率消耗约减少 10%。文献1对国产翅片管喷雾水蒸发空冷器进行试验证明，喷淋型湿式空冷器比干空冷器的管外给热系数均提高一倍左右，喷淋型湿式空冷器在在代替水后冷器降低热流体冷却温度方面取得了显著的技术经济效果。,表面蒸发式空冷器(榆次电站用),表面蒸发式空冷器是一种利用管外水膜的膜蒸发来强化传热的、由光管组成的一种空冷装置，其典型结构有两种，见图 1-6
15、，其中(a)是美国 Baltimore aircoil公司推荐采用的结构形式，在国外多用于的冶金企业；(b)为目前大量应用在我国炼油冶金行业的结构形式。,蒸发空冷器的结构型式,1-管束；2-热流体进口；3-空气进口；4-循环水泵；5-排水管；6-供水管；7-挡水板；8-热空气出口；9-热流体出口,干、湿联合空冷器,所谓干湿联合空冷器，就是将干空冷器和湿空冷器合成一体。由于组合方法的不同，结构形式也有多种变化，但其组合的原则基本相同，一般在工艺流体的高温区域用干空冷器，在低温区域用湿空冷器，即干空冷器起气体冷凝的作用，湿空冷器起冷凝液冷却的作用。 干湿联合空冷器包括以下四种管束布置方式： A、立
16、放管束联合；B、横放管束联合；C、横立组合式管束联合； D、斜立组合式管束联合。,A、立放管束联合,如图 1-7 所示。这种结构的管束立放，喷水系统介于两管束之间，热流体先经过干空冷器，经冷却后再进入湿空冷器继续冷却，由于干、湿空冷器并列，所以结构紧凑，但热流体的流向不理想，管内阻力降大。,B、横放管束联合,。如图 1-8 所示。这种结构为管束横放，喷水系统亦介于两管束之间，热流体首先进入由增湿空气冷却的干空冷器，然后再进入湿空冷器继续冷却。喷水方向与空气流动方向相反。结构紧凑，占地面积小。 上述两种结构都采用回转喷嘴，适用于热负荷较小的装置。,C、横立组合式管束联合,如图 1-9 所示。水平
17、管束为干空冷器，立放管束为湿空冷器。立放管束分为横排立放和立排立放两种。管内工艺流体首先经过干空冷器，然后进入湿空冷器，继续冷却。环境空气经过喷水后增湿降温。即使再横向掠过湿空冷器管束，其温度一般仍低于环境空气干球温度，所以干空冷器的冷却效率仍可保证，是目前国内外最常用的一种组合。,图 1-9 联合空冷器（横、立管束）,D、斜立组合式管束联合,如图 1-10 和图 1-11 所示，上面斜顶管束为干空冷器，下面立放横排管束为湿空冷器。斜顶管束根据排管的不同，可分为横排和立排两种。立放管束分为横排立放和立排立放两种。横排适用于冷凝液比体积变化不大的气体或气、液混合流体的冷却。立排适用于冷凝液比容变
18、化较大的气体或汽油的冷凝和冷却。,湿空冷器在电力工业中应用背景 国外电站空冷已有 60 多年历史，目前仍在继续发展。1939 年德国 GEA 公司首先提出直接空冷系统；1956 年匈牙利人提出混合式凝汽器间接空冷系统；1975 年比利时人提出表面式凝汽器间接空冷系统；1977 年美国人又提出了采用冷却剂的表面式凝汽器间接冷却系统。德国在 1971 年已建成了 30 万千瓦的机组采用直接空冷后，新鲜水补充量从 80m3/h111m3/h 降到了 1.3m3/h，即下降了 98.4%98.8%,空冷器也大量应用于汽轮机(透平)的蒸汽冷凝器。目前，世界上最大的空冷机组的单机容量为 665MW(马丁巴
19、电站，直接空冷)，668MW(肯达尔电站，间接空冷)。直接空冷、间接空冷、表面式凝汽器间接空冷目前均有应用，但以前二者居多，空冷器在动力工业中主要是作为汽轮机的排汽冷凝器，分直接空冷和间接空冷两种系统。,直接空冷系统,汽轮机排汽通过较大直径的管道送入空气冷凝器管束进行冷凝，凝结水由凝结水泵送回锅炉给水系统，经锅炉加热后循环使用。为了节省占地面积，缩短真空下排汽管道的长度，空气冷凝器一般放在汽轮机房的屋顶上或室外平地上。,直接空冷系统的冷凝器有如下几种代表型式：,(1) GEA 空气冷凝器：管束采用镀锌矩形翅片椭圆管(均为碳钢)，纵向排列，一般为斜顶式。为了防止空气漏入真空系统，翅片管与管箱的连
20、接采用焊接结构，冷凝器分为主冷凝器管束和辅冷凝器管束两部分，采用汽水顺流和逆流混合冷却方式。 (2) 赫德森(Hudson)型空气冷凝器：翅片管也是纵向排列，每片管束中也分主、辅冷凝管束两部分。主冷凝器管束为汽水顺流方式，每片管束最上排四根管子组成辅助冷凝管束，为汽水逆流方式。由于辅助冷辅管束位于管束的上部，接触的是被前几排加热后的空气，因此不易发生凝结水冻结现象。,(3) 鲁姆斯(Lummus)型空气冷凝器：采用 U 型管束，管子水平排列，蒸汽在管束中被冷凝后，凝结水靠重力经过环形密封流入凝结水箱，每片管束分主、辅两部分冷凝管束，其换热面积之比为 95:5。辅助冷凝器管束的作用是抽气前，对空
21、气中所含蒸汽进行最大限度的冷凝，此种结构可能在极寒冷的气象条件下使用而不发生 冻结，其占地面积较其它型式少 20%30%。,间接空冷系统,可分以下三种型式 (1) 混合式凝汽器系统：该系统是将汽轮机蒸汽排入混合凝汽器与水混合而得到凝结，凝结水的一部分由凝结水泵送入锅炉给水系统，大部分由循环水泵送到冷水塔中进行冷却。其特点是：混合式凝汽器布置在汽轮机的下部，使得汽轮机排气管道很短，故真空冷系统减小，保持了水冷的特点。 (2) 表面式凝汽器系统：该系统是用表面式凝汽器取代混合式凝汽器，其特点是对循环水水质要求不高，可大大降低水处理费；系统简单，设备少，布置也较容易。但冷却水必须进行两次热交换，传热
22、效果差，投资相应增大，在原子能工业中为防止放射性污染，采用这种系统有其优越性。,(3) 冷却剂凝汽器系统：这种系统是通过冷却剂(如氟里昂、氨、甲基丙二醇、丁二醇等)代替水作为中间介质的间接空冷系统，其特点是利用了低沸点冷却剂与空气进行热交换，系统比较简单，传热性能较好，还可省掉循环水泵，但冷却剂价格昂贵。,湿、干联合空冷系统,在电厂中的湿、干联合空冷是在干式冷却塔的发展基础上发展起来的。因为干式冷却塔虽然可以大量节约用水，但其投资多，冷却效果差，而且还影响汽轮机尾部设计参数。所以在大型火电厂的发展趋势是采用湿、干联合空冷。研究表明，将湿式淋水填料与干式翅片管束在空气侧并联，在热力学上是最佳方案
23、，湿、干联合空冷系统的型式有合建和分建两种。,(1) 合建式联合冷却塔,该型式是将湿、干冷却元件合建在同一个塔体里，湿、干段元件交替地布置在塔的圆周上，在空气侧并联，以使排出空气充分混合，在水侧将干段元件串联在湿段元件之前。湿段元件采用具有消音性能的石棉水泥淋水板。,(2) 分建式联合冷却塔,这实际上是一种小型湿式塔和大型干式塔的联合。其系统又可分两类，即湿式塔与间接干式塔的联合和湿式塔与直接空冷塔的联合，这两类联合冷却系统的冷却介质分别在两个完全隔离的回路里进行循环。干式(空冷)塔常年运行，尤其在气温较低的季节里可以充分发挥其作用，而湿式塔则仅在气温较高的季节里启用。当需要湿式塔停止运行时，可用阀门将湿式塔的循环回路切断，并将使用的凝汽器管子换接在干式塔的循环回路里，这样，所有的凝汽器便始终处于运行状态。在每次进行切换时，湿式塔系统中凝汽器内和循环水管内的水并不与干式塔系统中的冷却介质混合，而是集中在该塔下方的集水池中，在管路上进行切换。,感谢您的关注 ,
