第4章翅片管式空氣冷卻器
4.1空冷器的優(yōu)點和結(jié)構(gòu)形式
空氣冷卻器是用環(huán)境空氣冷卻工藝流體的大型換熱設(shè)備。在煉油廠,發(fā)電廠和其他 工業(yè)領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。為了強化空氣的冷卻效果,絕大多數(shù)空冷器都采用翅片管 作為傳熱元件。為了節(jié)約水源,用空冷代替水冷已成為普遍的選擇,空冷與傳統(tǒng)的水冷相 比,其主要優(yōu)點在于:
① 水日益成為緊缺的資源,我國是一個缺水的國家,在某些能源大省和廣大的西北地 區(qū),水資源更為緊張,而空氣到處都有,且可免費利用,為解決缺水瓶頸采用空氣冷卻是唯 一可能的選擇。
② 釆用空冷幾乎不會對環(huán)境造成污染,若釆用水冷,當(dāng)換熱器出現(xiàn)腐蝕和泄漏時,會 對水資源造成污染。
③ 水需要加工和處理,在換熱器中水的流動阻力較大,使得水冷的成本較高;而空氣 無需經(jīng)過處理,而且不需要循環(huán)使用,因而運行成本較低。
此外,用空氣作為冷卻介質(zhì),與水比較,也有若干不足和特點:
① 空氣溫度受大氣溫度及氣候的影響很大,經(jīng)常處于變動狀態(tài),不像水溫容易控制。
② 空氣的入口溫度為大氣的干球溫度,被冷卻介質(zhì)的出口溫度不能低于大氣干球溫 度,其冷卻效果受大氣溫度的影響和制約。
③ 所需要的空氣流量很大:空氣在20℃時,比熱容為1. 0 kJ/(kg •℃).密度為 1.2 kg/m3,而水的比熱容為4. 183 kJ/(kg • Y),密度為998 kg/m3o在吸收同等熱量和 同樣溫升的情況下,空氣的質(zhì)量為水的4. 18倍,空氣的體積為水的830倍,所以,空冷器 需要大的風(fēng)量和大的迎風(fēng)面積。
④ 空氣的對流換熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的對流換熱系數(shù),即使在采用翅片管的情況下,
空冷器的傳熱系數(shù)也較低,是水冷器的傳熱系數(shù)的* 倍。
空冷器的結(jié)構(gòu):
(1)翅片管。為了提高空冷器的傳熱效果,絕大多數(shù)空冷器都要采用翅片管作為空 冷器的傳熱元件。見第1.2節(jié)中與空氣換熱的翅片管的介紹。由于空氣流過翅片時幾乎 沒有污染和腐蝕,在大多數(shù)運行條件下,表面積灰和結(jié)垢不嚴(yán)重,所以空冷器所采用的翅 片管的翅片密度很大,翅化比可達(dá)20以上。翅片材質(zhì)多為鋁,而基管材質(zhì)多釆用碳鋼或 不銹鋼。其中鋼管/鋁軋制復(fù)合翅片管應(yīng)用最為普遍,其結(jié)構(gòu)如圖4. 1. 1所示。
這種翅片管的接觸熱阻很小,此外,整體的鋁翅片將基管與空氣完全隔離,再加上加
工容易,制造成本較低等優(yōu)點,因而成為目前空冷器制造行業(yè)的首選。常用的翅片管規(guī)格 為:基管外徑:。。=20 ~25 mm;翅片高度:1。- 15 mm;翅片間距:3 ~4 mm;翅片厚度: 0. 3 -0. 6 mm;翅化比:15 ~25。
例如:某一常用的翅片管的規(guī)格為:基管外徑。。=25 mm;翅片高度t=12.5 mm;翅片 間距為3.0 mm;翅片厚度為0.5 mm;翅化比為23。
(2)翅片管束。
由多支翅片管和管箱組成的傳熱單元稱為翅片管束。
如圖4. 1.2所示,翅片管束主要由翅片管和連接翅片管的管箱組成,管內(nèi)介質(zhì)的進(jìn)口 和岀口可以置于同一個管箱上,另一管箱作為回轉(zhuǎn)管箱,依靠管箱內(nèi)部的隔板來實現(xiàn)管程 的劃分。
在空氣流動方向,一般布置2~6排翅片管,圖中所示為2個管程,每2排翅片管為一 個管程。各排翅片管之間是錯排排列。管束的外形尺寸為丄(長)x"(寬),為了便于運輸 和加工,長度厶一般不超過12 m,而寬度驢不超過3 m為宜。
管箱的結(jié)構(gòu)有多種形式,如圖4. 1.3所示。為了便于翅片管的安裝和管內(nèi)的清理,往 往采用絲堵型管箱結(jié)構(gòu),在管箱的外側(cè)箱板上,針對每個管口,安裝一個可拆卸的絲堵。 對于高壓介質(zhì),可采用圓管型管箱。
圖4.1.3管箱結(jié)構(gòu)
(3) 翅片管束和風(fēng)機(jī)的布置形式。
一臺空冷器由若干個翅片管束并在一起,構(gòu)成一個完成的換熱器傳熱結(jié)構(gòu)??绽淦?的翅片管束和風(fēng)機(jī)有兩種布置形式:圖4. 1.4中,管束水平布置,風(fēng)機(jī)安裝在下部,向上鼓 風(fēng),稱為鼓風(fēng)式或強制通風(fēng)式空冷器;圖4. 1.5中,管束水平放置,風(fēng)機(jī)安裝在上部,向上 引風(fēng),稱為引風(fēng)式或誘導(dǎo)通風(fēng)式空冷器。
圖4. 1.5誘導(dǎo)通風(fēng)式空冷器
兩種形式的空冷器各有優(yōu)缺點:對于強制通風(fēng)式空冷器,進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣是沒有加熱 的冷風(fēng),空氣密度較大,風(fēng)機(jī)的功率消耗較小,缺點是鼓出去的熱風(fēng)容易被吸回來,產(chǎn)生熱 風(fēng)再循環(huán),需要在空氣出口和入口的結(jié)構(gòu)上做仔細(xì)的考慮;對于誘導(dǎo)通風(fēng)式空冷器,進(jìn)入 風(fēng)機(jī)的風(fēng)是經(jīng)過加熱后的熱風(fēng),溫度較高,因此風(fēng)機(jī)耗能較大,但是因空氣出口的動壓較 高,不易產(chǎn)生熱風(fēng)再循環(huán)現(xiàn)象,此外,由于風(fēng)機(jī)安裝在高處,會給結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝工藝增加 一定的難度。
在風(fēng)機(jī)型號的選擇上有三個重要的參數(shù)互相關(guān)聯(lián),即風(fēng)量(m3/h),壓頭(Pa)及功率 (kW),這些參數(shù)要由設(shè)計確定。在結(jié)構(gòu)上,往往采用多臺風(fēng)機(jī),要與管束的迎風(fēng)面合理 地結(jié)合在一起。
為了防止日照、雨雪、低溫等自然因素對管束及換熱的影響,對于強制通風(fēng)式空冷器, 在翅片管束上部都要裝設(shè)可調(diào)整開度的百葉窗匸
除了圖4. 1.4,4. 1.5所示的管束水平放置的形式之外,翅片管束還可以傾斜放置,或 -146 .
圖4. 1.6管束傾斜放置 圖4. 1.7管束垂直放置
管束水平放置的空冷器特別適用于多管程的情況,而傾斜放置或垂直放置的空冷器, 特別適用于單管程或管內(nèi)蒸汽的凝結(jié),蒸汽從上部管箱進(jìn)入,凝液從下部管箱排出。此 外,傾斜放置或垂直放置的空冷器,與水平放置相比,占地面積要減少一些,但對空氣繞流 翅片管束的均勻性會有一定影響。
本章重點講解空冷器的設(shè)計計算方法,對于空冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其細(xì)節(jié)不作詳細(xì)論 述。在空冷器的設(shè)計中,管外是空氣繞流翅片管束的換熱,換熱系數(shù)已有成熟的計算方 法,可按第2章中的有關(guān)公式進(jìn)行計算。然而,管內(nèi)被冷卻的介質(zhì)會有各種不同的換熱情 況,并遵循不同的換熱規(guī)律,因而有必要根據(jù)管內(nèi)的換熱特點對空冷器的設(shè)計進(jìn)行分類。 按管內(nèi)的換熱特點可分為:
(1 )管內(nèi)介質(zhì)是單組分或多組分的冷卻;
(2) 管內(nèi)介質(zhì)是單組分或多組分的冷凝;
(3) 管內(nèi)介質(zhì)是單組分或多組分的冷凝和冷卻。
管內(nèi)的相變換熱都涉及管內(nèi)氣/液兩相流動,由于換熱過程的復(fù)雜性和計算方法不完 善,給空冷器的設(shè)計計算帶來很大的困難。
4.2節(jié)講述管內(nèi)是單相流體冷卻時的空冷器設(shè)計;在4. 3節(jié)中講述管內(nèi)凝結(jié)過程和 冷卻過程同時存在時的空冷器設(shè)計計算;在4. 4節(jié)中重點講述空冷器的變工況計算;在 4.5節(jié)中推薦一些設(shè)計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和空冷器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在各節(jié)中都給出了計算例并對 計算結(jié)果進(jìn)行簡單討論。