提高蒸發空冷器換熱強度的深度研究

摘要：文章研究了水平管束逆流形式的蒸發空冷器結構和換熱基理，通過對噴淋水與空氣交換的分析，適當地增加水與空氣間的接觸表面，增大進入蒸發空冷器的空氣濕度，從而降低空氣入口溫度，達到增大對數平均溫差的作用，整體上提高了蒸發空冷器的換熱強度。通過實驗驗證了增加表面積在淋水環境下對蒸發空冷器的風阻的影響程度，控制最佳噴水量，達到風阻降到最低的效果，在實際運行中提高了設備的運行效率，從而提高了設備的節能、降耗、減排、環保等指標。

關鍵詞：蒸發空冷器；換熱強度；風阻對數；溫差

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）30-0020-05

1 概述

蒸發式空冷器與傳統的干式空冷器相比有較高的換熱效率，2012年之后，在經歷了全球經濟危機之后，我國經濟復蘇的步伐不斷加快，通過對蒸發空冷設備市場發展空間及機會分析，得出蒸發空冷設備制造行業的下游具有穩定攀升的旺盛市場需求，因蒸發空冷器兼具干式空冷器的性能，占地面積小、設備成本低，在干式空冷器項目的擴能改造中也是無可比擬的替代品，預計2013年冷卻（凝）設備總市場容量將達到658億元。隨著國家“資源節約型”、“環境友好型”社會建設的深入推進和“節約用水、節能降耗、清潔生產”政策的大力推行，未來對具有節水、節能同時又有助實現清潔生產的高效蒸發空冷設備的需求亦將會迅速增加。所以，研究進一步提高蒸發空冷器的傳熱效率有著重要的現實意義和社會效益。

2 換熱分析

介質的進/出口溫度是工藝操作要求的保證值，不容改變，本文所提出的方法是降低空氣進口溫度。對比空氣的濕焓圖，當空氣的相對濕度越大時其等焓線所對應的空氣溫度越低，對于蒸發空冷器過飽和的噴水量而言，增大空氣的濕度無非是擴大空氣與水直接接觸的表面積，根據圖1和圖2介紹的蒸發空冷器的結構，空氣與水開始直接接觸是在最下面一排管進行的，蒸發空冷器的換熱管采用的是光管管束，空氣與水的接觸表面積僅限于光管外表面積和管間散落的水滴外表面積，迎面風速一般在3m/s，空氣與水的交換不是很充分，要得到相對濕度較大、溫度較低的空氣用于換熱幾乎是不可能的，為此我們在最下面的一排管增加10多倍的表面積用于空氣與水的交換，提高空冷器的換

熱強。

3 具體實施方案

4 空氣阻力分析

空氣流過蒸發式冷凝器的阻力為通過光管、預冷排管、擋水板、噴嘴排管、進口風柵等部分阻力之和。改造后的蒸發空冷器如果在增加了表面積的同時大幅度地增加了空氣的阻力而使得空氣流量減少，造成對換熱的影響將是得不償失的，所以對空氣阻力的分析是尤為重要的。

傳統結構與新結構在有噴淋、逆流情況下流動阻力比較我們可以進行下述分析：

第一，方案B的空氣流動阻力突變點時的空氣流速更高，因此新結構可以達到更高的空氣流速，從而提高設備的換熱能力。

第二，在突變點之前，方案B的空氣流動阻力低于傳統結構（逆流、淋水噴淋量0.9m3/h時，在空氣流動阻力突變點處，傳統結構的壓降為50Pa，本設計結構的壓降為30Pa），這表明，噴淋水大部分是吸附在翅片表面積上而不影響空氣的流動，因此，相對于沒有翅片管的結構消除了水滴占用的凈通風面積以及空氣與水滴的“吹傘現象”而加大空氣阻力的影響，以2m/s的風速計算，傳統結構在逆流、淋水噴淋量0.9m3/h時，壓降為30Pa，然而新結構在相同條件下壓降為20Pa，風機可節能33%左右。另外，從圖中可以看出，新結構的流動阻力隨噴淋量變化不大，就是因為大部分水滴被吸附在翅片管上，增加了空氣的凈通風面積，因此新結構在較大噴淋量時的風機節能更多。

6 實際應用的意義和結論

綜上所述，依靠增加空氣-噴淋水接觸表面積的方法來提高蒸發空冷器的換熱強度是可行而且在實際操作中是可以廣泛應用的。

（1）蒸發空冷器管束在增加翅片管的設計和制造上與原結構相比幾乎相同，無任何難度，設備的制造成本增加不大，只是為了更好地發揮設備效能，而對噴水的效果以及噴水量的控制提出了更高的要求，可以選擇根據流量大小可自動調整分散效果的雙面噴嘴代替現有的固定管嘴的單面噴嘴。

（2）可對老裝置提高效能進行改造，蒸發空冷器因為結垢的問題，其換熱效率下降較快，也是該類設備一直沒有解決的問題，以前的做法是靠增加設備來提高效能，但要受到安裝場地的限制，所以應用本文所介紹的方案進行改造簡單易行、增效明顯：提高了換熱強度；增加了換熱表面積近一倍；改造工程量小、成本低，只需要對最后一排管進行更換，不用拆除設備，現場停車即可

操作。

（3）設備更容易進行清洗和維修。蒸發空冷器發生結垢的位置出現在空氣-水交換的接觸表面，所以在設備運行的過程中會有近70%的水垢在翅片管表面吸附，該排翅片管處于水箱的上方可視可觸摸，也就更容易進行清洗，也可進行更換

操作。

（4）節能效果直觀明顯，由于增加了換熱表面積近一倍，增加了蒸發空冷器干式運行的環境溫度范圍，也就是說對光管管束而言，如果原來干式運行（停噴水）的環境溫度范圍為10℃以下，改造后停噴水工況的環境溫度可能提高到10℃以上的某個數值，這一點在對介質出口較低溫度的設備表現得會更加明顯，不妨進行一個簡單的測算，以冶金高爐ZP9×3蒸發空冷為例，介質出口溫度要求45℃，每臺耗水量3～4噸/小時，如原設計停噴水工況的環境溫度在3℃，改造后可提高到12℃左右，9℃的溫差環境溫度在不同地區持續的時間不盡相同，我們以一個月時間為標準計算的單臺設備節水量就是：30天×24小時×3～4噸/小時=2160～2880噸，這2000多噸水是單臺設備節省的，而且是除鹽水。

蒸發空冷器在空氣進口處增加表面積的做法，使得整臺換熱器的對數平均溫差有所提高，從而提高了設備的換熱強度，尤其是一定量的噴淋水得到了有效的吸附而降低了空氣阻力，使設備發揮了更高的效能。在設計上簡單易行，制造上操作方便、成本低，這種方法在老產品的改造上更具

優勢。

參考文獻：

[1] 哈爾濱空調股份有限公司.空氣冷卻器[S].2008.

[2] （日）尾花英朗.熱交換器設計手冊（下冊）[M].北京：烴加工出版社，1987.

[3] 劉巍.冷換設備工藝計算手冊[M].北京：中國石化出版社，2003.

[4] 朱冬生，孫荷靜，蔣翔，吳治將.蒸發式冷凝器的研究現狀及其應用[J].

[5] 姚玉英.化工原理[M].天津：天津科學技術出版社，2005.

[6] 美國換熱研究學會.HTRI換熱計算軟件.

[7] 莊友明.蒸發式冷凝器和水冷式冷凝器的能耗比較及經濟性分析[J].制冷，2001，20（1）：65-69.

[8] 梅方舒.全管束配水蒸發式冷凝器的研究[D].上海理工大學，2012.

作者簡介：尚立新（1966-），男，黑龍江人，上海天勃能源設備有限公司高級工程師，碩士，研究方向：換熱設備。

（責任編輯：王書柏）