喷雾增湿空冷器优化设计分析

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[关键词]喷雾增湿；空冷器；优化设计；能效；紧凑度

一般来说，当介质低于120℃时，回收其热量代价比较昂贵。为了降低回收成本，高效完成大量低温介质残余热量冷却工作，空冷器作为一种节约能源、减少工业水污染、投资经济性高的热交换设备已广泛应用于石油化工行业。对比翅片管式干空冷器的不足，如占地面积大、易受现场环境及夏季高温影响出现换热能力下降等问题，喷雾增湿空冷器具有紧凑度高、热效率高、适应性强、使用范围广等诸多优点[1,2]。

1空冷器简介

空冷器是以空气为冷介质，冷却管内为热介质的换热设备。按冷却方式可分为：干式空冷器、湿式空冷器、干湿联合空冷器，其中湿式空冷器包括：喷雾增湿型、喷水增湿型。一般干空冷可以把管内热介质冷却到高于环境温度20℃，湿空冷可以把介质冷却到高于环境温度3~5℃，干湿联合型可以把介质冷却到接近或低于环境温度。不同类型空冷器结构和应用场合不同。干空冷器、喷雾增湿空冷器管内介质一般为单相介质冷却；喷水增湿空冷器、干湿联合空冷器一般管内为气液两相介质冷凝冷却。干空冷器、喷雾增湿空冷器主要靠空气升温显热冷却管内介质，而喷水增湿空冷器、干湿联合空冷器主要靠传热元件表面水膜蒸发潜热冷却管内介质。本文以新建大型空冷器项目为例，从传热性能、产品投资、应用消耗等方面对比普通翅片管式干空冷器，详细阐述喷雾增湿空冷器计算原理及特点。

2喷雾增湿系统设计原理及结构特点

2.1设计原理

喷雾增湿系统设计原理利用大气环境干球温度高于湿球温度特点，通过高压水泵及雾化喷头，将常温常压液态水细化成大量微小粒径的雾化液滴，这些雾化液滴在风机压头作用下顺势融入到空冷器迎风面周围空气中，从而增加空气相对湿度，使空气干球温度降至湿球温度。最终通过增大传热温差，提高空冷器换热能力，达到节省换热面积提高设备紧凑度，节省占地面积减少设备投资的目的[3~6]。

2.2设计条件

当地海拔1000m、相对湿度45%、最热月平均温度30℃，空冷器各项参数如表1所示。由表1可知，该工位空冷器具有以下特点：(1)热负荷、介质流量大；(2)介质出口温度低（接近夏季大气环境极端温度）；(3)换热面积大、占地面积大。

2.3喷雾系统设计

空冷器喷雾系统设备及配件主要包括高压水泵、雾化喷头、过滤器、压力表、止回阀、球阀、喷淋管线等。其中高压水泵需根据风机风量及喷雾后空气含湿量差值计算总耗水量（泵的流量），喷头一般选取喷出雾化颗粒在60-100um的雾化喷头；高压水泵根据喷头雾化要求一般选取出口压力为80bar的柱塞泵；喷雾采用除盐水，管线设有过滤器净化除盐水。根据设计条件，设定当环境温度超过30℃时开始喷雾，夏季极端温度按40℃计算，计算出当环境大气温度从31~40℃时喷水总耗水量如表2所示[7]。由表2可知，当环境温度40℃时，将其冷却至30℃时耗水量最大，所以喷雾增湿系统最大耗水量为14.84m3/h。根据耗水量及扬程水泵电机选用37kW电机。喷雾系统工艺流程图如图1。由图1可以看出，整套系统包含3台水泵（两用一备）、除盐水管道、喷淋管线、管道阀门（安全阀、球阀、止回阀）、仪表管件（压力表、过滤器、蓄能器）、喷头等。喷头与喷淋管线通过螺纹连接，喷淋管线纵向布置在空冷器管束底部迎风面。为保证良好的喷雾效果，一方面应合理布置喷淋管线间距，防止因喷头喷雾半径相互干涉喷雾水滴下落造成水资源浪费，另一方面要适当调整喷头与最后一排换热管的间距，使喷头喷雾半径与喷雾覆盖面积相互匹配[8~12]。

3干空冷器与喷雾增湿空冷器性能与经济性对比

在干空冷设计中，一般按保证每年不超过5天的最高气温或按当地最热月的日最高气温的平均值增加3~5℃作为空气入口设计温度；喷雾增湿空冷器，一般按当地最热月极端温度与相对湿度，查表得出相应湿球温度作为空气入口设计温度。将本项目干空冷器与喷雾增湿空冷器两组方案各参数对比于表3。从表3可知，干空冷器空气入口设计温度较高，并且当设备热负荷相同时，干空冷器需要更大的换热面积及占地面积才能满足换热要求。按照设备使用寿命20年、每年8400工作小时（夏季喷雾360小时）、工业用电收费0.7元/kWh、除盐水7元/t计算，对比干空冷器与喷雾增湿空冷器投资及运行总费用，见表4。从表4可以看出，从长期运行能耗角度可知喷雾增湿空冷器比干空冷器节省费用81.39万元，提高能效30.5%，从总费用、占地经济角度可知喷雾增湿空冷器比干空冷器节省费用581.39万元，节省投资26.8%。

4结论

本文以某公司新建大型空冷器项目为例，详细阐述了根据项目所在地相对湿度低、夏季温度高、日照时间长、介质处理量大、介质出口温度低等特点，优化设计的喷雾增湿系统。并且通过干空冷器与喷雾增湿空冷器的对比，从换热性及经济性两方面分析得出，喷雾增湿空冷器具有能效高、占地面积小、紧凑度高、可模块化、结构简单、性价比高、制造方便等诸多优点。当周围出现热风循环或夏季极端高温时，环境温度过高导致干空冷器的换热能力下降，从而装置降低负荷运行。针对这些工况，喷雾增湿空冷器可根据现场实际情况，调节起喷温度达到降低空气温度，保证空冷器在各种工作环境下良好运行。喷雾增湿空冷系统在大型石化空冷项目中具有很高推广价值。

作者：张斯亮 陈韶范 马金伟 张向南 杨磊杰 齐兴 梅光旭 单位：上海蓝滨石化设备有限责任公司