提高蒸发空冷器换热强度的深度研究

摘要：文章研究了水平管束逆流形式的蒸发空冷器结构和换热基理，通过对喷淋水与空气交换的分析，适当地增加水与空气间的接触表面，增大进入蒸发空冷器的空气湿度，从而降低空气入口温度，达到增大对数平均温差的作用，整体上提高了蒸发空冷器的换热强度。通过实验验证了增加表面积在淋水环境下对蒸发空冷器的风阻的影响程度，控制最佳喷水量，达到风阻降到最低的效果，在实际运行中提高了设备的运行效率，从而提高了设备的节能、降耗、减排、环保等指标。

关键词：蒸发空冷器；换热强度；风阻对数；温差

中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0020-05

1 概述

蒸发式空冷器与传统的干式空冷器相比有较高的换热效率，2012年之后，在经历了全球经济危机之后，我国经济复苏的步伐不断加快，通过对蒸发空冷设备市场发展空间及机会分析，得出蒸发空冷设备制造行业的下游具有稳定攀升的旺盛市场需求，因蒸发空冷器兼具干式空冷器的性能，占地面积小、设备成本低，在干式空冷器项目的扩能改造中也是无可比拟的替代品，预计2013年冷却（凝）设备总市场容量将达到658亿元。随着国家“资源节约型”、“环境友好型”社会建设的深入推进和“节约用水、节能降耗、清洁生产”政策的大力推行，未来对具有节水、节能同时又有助实现清洁生产的高效蒸发空冷设备的需求亦将会迅速增加。所以，研究进一步提高蒸发空冷器的传热效率有着重要的现实意义和社会效益。

2 换热分析

介质的进/出口温度是工艺操作要求的保证值，不容改变，本文所提出的方法是降低空气进口温度。对比空气的湿焓图，当空气的相对湿度越大时其等焓线所对应的空气温度越低，对于蒸发空冷器过饱和的喷水量而言，增大空气的湿度无非是扩大空气与水直接接触的表面积，根据图1和图2介绍的蒸发空冷器的结构，空气与水开始直接接触是在最下面一排管进行的，蒸发空冷器的换热管采用的是光管管束，空气与水的接触表面积仅限于光管外表面积和管间散落的水滴外表面积，迎面风速一般在3m/s，空气与水的交换不是很充分，要得到相对湿度较大、温度较低的空气用于换热几乎是不可能的，为此我们在最下面的一排管增加10多倍的表面积用于空气与水的交换，提高空冷器的换

热强。

3 具体实施方案

4 空气阻力分析

空气流过蒸发式冷凝器的阻力为通过光管、预冷排管、挡水板、喷嘴排管、进口风栅等部分阻力之和。改造后的蒸发空冷器如果在增加了表面积的同时大幅度地增加了空气的阻力而使得空气流量减少，造成对换热的影响将是得不偿失的，所以对空气阻力的分析是尤为重要的。

传统结构与新结构在有喷淋、逆流情况下流动阻力比较我们可以进行下述分析：

第一，方案B的空气流动阻力突变点时的空气流速更高，因此新结构可以达到更高的空气流速，从而提高设备的换热能力。

第二，在突变点之前，方案B的空气流动阻力低于传统结构（逆流、淋水喷淋量0.9m3/h时，在空气流动阻力突变点处，传统结构的压降为50Pa，本设计结构的压降为30Pa），这表明，喷淋水大部分是吸附在翅片表面积上而不影响空气的流动，因此，相对于没有翅片管的结构消除了水滴占用的净通风面积以及空气与水滴的“吹伞现象”而加大空气阻力的影响，以2m/s的风速计算，传统结构在逆流、淋水喷淋量0.9m3/h时，压降为30Pa，然而新结构在相同条件下压降为20Pa，风机可节能33%左右。另外，从图中可以看出，新结构的流动阻力随喷淋量变化不大，就是因为大部分水滴被吸附在翅片管上，增加了空气的净通风面积，因此新结构在较大喷淋量时的风机节能更多。

6 实际应用的意义和结论

综上所述，依靠增加空气-喷淋水接触表面积的方法来提高蒸发空冷器的换热强度是可行而且在实际操作中是可以广泛应用的。

（1）蒸发空冷器管束在增加翅片管的设计和制造上与原结构相比几乎相同，无任何难度，设备的制造成本增加不大，只是为了更好地发挥设备效能，而对喷水的效果以及喷水量的控制提出了更高的要求，可以选择根据流量大小可自动调整分散效果的双面喷嘴代替现有的固定管嘴的单面喷嘴。

（2）可对老装置提高效能进行改造，蒸发空冷器因为结垢的问题，其换热效率下降较快，也是该类设备一直没有解决的问题，以前的做法是靠增加设备来提高效能，但要受到安装场地的限制，所以应用本文所介绍的方案进行改造简单易行、增效明显：提高了换热强度；增加了换热表面积近一倍；改造工程量小、成本低，只需要对最后一排管进行更换，不用拆除设备，现场停车即可

操作。

（3）设备更容易进行清洗和维修。蒸发空冷器发生结垢的位置出现在空气-水交换的接触表面，所以在设备运行的过程中会有近70%的水垢在翅片管表面吸附，该排翅片管处于水箱的上方可视可触摸，也就更容易进行清洗，也可进行更换

操作。

（4）节能效果直观明显，由于增加了换热表面积近一倍，增加了蒸发空冷器干式运行的环境温度范围，也就是说对光管管束而言，如果原来干式运行（停喷水）的环境温度范围为10℃以下，改造后停喷水工况的环境温度可能提高到10℃以上的某个数值，这一点在对介质出口较低温度的设备表现得会更加明显，不妨进行一个简单的测算，以冶金高炉ZP9×3蒸发空冷为例，介质出口温度要求45℃，每台耗水量3～4吨/小时，如原设计停喷水工况的环境温度在3℃，改造后可提高到12℃左右，9℃的温差环境温度在不同地区持续的时间不尽相同，我们以一个月时间为标准计算的单台设备节水量就是：30天×24小时×3～4吨/小时=2160～2880吨，这2000多吨水是单台设备节省的，而且是除盐水。

蒸发空冷器在空气进口处增加表面积的做法，使得整台换热器的对数平均温差有所提高，从而提高了设备的换热强度，尤其是一定量的喷淋水得到了有效的吸附而降低了空气阻力，使设备发挥了更高的效能。在设计上简单易行，制造上操作方便、成本低，这种方法在老产品的改造上更具

优势。

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作者简介：尚立新（1966-），男，黑龙江人，上海天勃能源设备有限公司高级工程师，硕士，研究方向：换热设备。