空冷器在化纖聚酯項目中的應用

郭杰 叢閱

（浙江省新鳳鳴集團) （上海大學機電工程與自動化學院）

空冷器在化纖聚酯項目中的應用

郭杰*叢閱

（浙江省新鳳鳴集團) （上海大學機電工程與自動化學院）

介紹空冷器在化纖聚酯項目中的一項應用成果。原聚酯生產(chǎn)工藝流程通過冷卻水列管式換熱器將100.5℃的酯化蒸汽降至55℃，現(xiàn)改為用空冷器和板式換熱器進行冷凝冷卻。改造后大大降低了運行成本，原水泵運行功率為420 kW，改造后空冷器和板式換熱器運行功率為88 kW，節(jié)約電力332 kW，并且基本不再需要冷卻水，節(jié)能節(jié)水效果明顯。論述了冷卻方案的選擇和空冷器的設計、空冷器的特點、運行結果和經(jīng)濟效益以及投資回收周期。關鍵詞 空冷器 列管式換熱器 板式換熱器 節(jié)能 翅片管 聚酯

0 前言

空冷器是一種用空氣作為冷卻介質的冷卻設備，管內的熱流體通過管壁和翅片與管外的空氣進行熱交換，所用的空氣一般由空冷風機提供。采用空氣冷卻器可節(jié)約工業(yè)用水、避免環(huán)境污染，因此在石化、冶金、電站等行業(yè)得到很好的推廣應用。

新鳳鳴集團公司原聚酯生產(chǎn)工藝流程使用列管式換熱器，將100.5℃的酯化蒸汽 （夏天）冷凝成液體，并冷卻降溫至55℃后再用于聚酯生產(chǎn)。這一冷卻方案技術上比較成熟，使用效果也非常好。由于水的換熱系數(shù)較高，原設計的列管式換熱器體積小、結構緊湊，一次性投資較低，這對于公司項目建設初期控制投資成本起到了一定的作用。因此列管式換熱器作為一種傳統(tǒng)的冷卻方式常用于早期的項目建設。近年來，隨著新型空冷器經(jīng)濟性的提高，許多石化企業(yè)和化纖項目都采用了空冷器，一部分列管式換熱器逐漸被空氣冷卻器所代替。因此公司決定進行項目改造，使用空冷器加板式換熱器代替列管式換熱器，用以冷凝聚酯生產(chǎn)工藝流程中產(chǎn)生的酯化蒸汽。由于早期建設的列管式換熱器已經(jīng)投產(chǎn)，實際改造時空冷器與板式換熱器并聯(lián)安裝，空冷器安裝后列管式換熱器不再使用。當夏天空冷器性能衰減不能滿足正常的冷卻負荷時，板式換熱器與空冷器并聯(lián)使用，因此空冷器設計可取較小的設計裕量。詳細的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。事實證明，空氣冷卻器不僅維護保養(yǎng)成本低，且與列管式換熱器比較，具有更長的使用壽命。整套空冷改造項目投資約為150萬元，預計投用一年即可收回全部投資。

圖1 聚酯生產(chǎn)工藝流程

1 空冷器的傳熱計算

1.1 空冷器的基本傳熱方程

空冷器的熱力計算必須滿足熱交換器的三個基本方程：

式中：G為流量，Cp為比熱，ΔT為進出口溫差，下標w為酯化蒸汽，下標a為空氣，K為總傳熱系數(shù)，A為換熱面積，Δtm為對數(shù)平均溫差。

正確設計的空冷器，其傳熱量應該等于熱流體的放熱量，也等于冷流體的吸熱量，即在任何情況下，由這三個方程計算的熱量數(shù)值必須相等。

1.2 傳熱平均溫差

對于任何流動方式的換熱器，其傳熱平均溫差是冷流體與熱流體的平均溫度差?？绽淦鳛榻徊媪鲃邮綋Q熱器，其傳熱平均溫差可以采用純逆流對數(shù)平均溫差進行計算，然后乘以溫差修正系數(shù)F。

1.3 傳熱熱阻和傳熱系數(shù)

空冷器屬于熱交熱器的一種，因此遵循傳熱的基本原理。熱流體經(jīng)過換熱元件將熱量傳給冷流體，而串聯(lián)的各個環(huán)節(jié)的傳熱阻力，其總和構成了傳熱過程的傳熱熱阻。對于空冷器，采用的換熱元件為翅片管，從內而外傳熱熱阻分別由管內對流換熱熱阻、管內污垢熱阻、管壁傳導熱阻、接觸熱阻、管外污垢熱阻、管外對流換熱熱阻組成，傳熱總熱阻等于上述各項熱阻之和。

傳熱系數(shù)即為傳熱總熱阻的倒數(shù)。

其中，管壁傳導熱阻與所用材料的導熱系數(shù)有關，與傳熱過程的其他熱阻相比較，一般可以忽略不計。

接觸熱阻是指翅片和基管兩種材料不一樣，熱膨脹系數(shù)也不一樣，當壁溫升高到一定程度時，兩種金屬在結合面上脫離接觸，出現(xiàn)間隙，從而形成熱阻，因此也叫間隙熱阻。接觸熱阻的數(shù)值很小，在使用溫度不高時，一般也可以忽略不計。對于空冷器常使用的雙金屬軋片管，當使用溫度小于100℃時，均不考慮接觸熱阻，使用溫度稍高時，其熱阻一般包括在管外污垢熱阻之中。

綜上所述，空冷器的換熱計算主要是對管內對流換熱熱阻和管外對流換熱熱阻的計算。這兩個熱阻的計算要求非常專業(yè)的知識和豐富的經(jīng)驗，可由設計院或專業(yè)生產(chǎn)廠家來完成。對于冷卻改造方案的選擇，我們僅需了解相應的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

由空冷器傳熱機理分析可知，實際影響空冷器運行效果的因素主要有兩個：

（1）環(huán)境溫度的影響：從對數(shù)平均溫差公式中可以看出，環(huán)境溫度的選擇即設計氣溫對空冷器的影響較大，空冷器的設計氣溫值只允許每年有5天的日平均值超過它，因此一般取33℃或35℃。實際選取時考慮到有板式換熱器存在，設計氣溫取值為30℃。

（2）管外污垢熱阻的影響：空氣側的污垢熱阻一般來說不會太大，但公司地處江浙沿海地區(qū)，工業(yè)相對比較發(fā)達，空氣質量不是很好，空冷器早期運行時結垢不嚴重，隨著使用年限的增加，空冷器的性能衰減較快。因此空冷器在夏季使用時要注意翅片的清洗工作。

2 冷卻方案的選擇及空冷器的設計

2.1 改造方案的選擇

根據(jù)周邊地區(qū)其他廠家的使用經(jīng)驗，由于早期建設的列管式換熱器已經(jīng)投產(chǎn)，為了將系統(tǒng)的不穩(wěn)定性減小到最小的程度，決定在列管式換熱器的管路旁邊并聯(lián)一套空冷器設備，這樣既有利于開機時的平衡過渡，也能確保夏天具有備用機組。

被冷凝的酯化蒸汽流量較大，整套設備的熱負荷約達7200 kW。這么大的熱量全部由空氣帶走覺得浪費太大，也不符合國家倡導的節(jié)能要求。為了能夠合理利用這部分熱量，在空冷器旁又增加了一套板式換熱器和一套制冷機系統(tǒng)。酯化蒸汽通過板式換熱器將一部分熱量傳遞給熱水，被加熱到90℃的熱水作為制冷機的熱源，驅動制冷機產(chǎn)生7℃的冷凍水供給全公司使用。整個改造方案流程詳見圖1雙點劃線部分。

空冷器與板式換熱器的布置通過管道和閥門連接，既可以并聯(lián)使用也可以串聯(lián)使用。板式換熱器只在夏天投入使用，帶走約40%的熱量。實際使用時板式換熱器與空冷器串聯(lián)布置，因此在夏天進入空冷器的熱流體為水汽混合物。

2.2 空冷器的設計

空冷器是改造項目工藝流程中的關鍵設備，它是根據(jù)水蒸氣的流量、冷凝熱負荷及環(huán)境溫度來設計的，設計工作由航空工業(yè)總公司第614研究所負責。按空冷器的設計程序先初選空冷器結構，然后進行傳熱和阻力核算，直至傳熱面積和流體阻力滿足使用要求為止。

空冷器的冷、熱流體分別為酯化蒸汽和空氣，冷熱兩側的傳熱膜系數(shù)相差很大，因此傳熱元件選用航空工業(yè)總公司第614研究所生產(chǎn)的管外側帶擴展傳熱表面 （翅片）的軋片式雙金屬換熱管，以增加外表面積，補償空氣側傳熱膜系數(shù)低的不足，提高傳熱效果。

翅片換熱管的剖面圖如圖2所示。

圖2 雙金屬軋片管

翅片換熱管是空冷器的核心和關鍵元件，它的性能直接影響空冷器的性能和應用。雙金屬軋片管的優(yōu)點是抗腐蝕性能好，使用壽命長，傳熱效率高，壓降小，翅片整體性和剛度高。由于翅片牢固，不易變形，故可用高壓水清洗。不足之處是接觸熱阻不衡定，當軋制質量不佳時，會導致內外管接觸不良，使傳熱效果惡化。

所設計的空冷器為4片12 m長、1.5 m寬的管束，并按寬度方向并聯(lián)布置。其換熱管均選用SGG-57×2.3鋼鋁復合軋片管，其翅片外徑為57 mm，片距2.3 mm，不銹鋼襯管尺寸為?25 mm×2 mm，單位長度外表面積為1.657 m2/m（比光管面積大22倍），有效管長11.89 m。空冷器凈迎風面積為11.9 m×5.21 m，共4排，管的排列方式為正三角形錯排，共336支冷卻管?？倱Q熱面積達7428 m2，設計裕度20%。

空冷器總風阻ΔPa為158 Pa，管程阻力ΔPw為6 kPa，均滿足設計要求。

空冷器實物安裝如圖3所示。

圖3 空冷器安裝實貌

3 空冷器的特點

3.1 空冷器的優(yōu)缺點

本次項目改造最主要的目的就是將列管換熱器改為空冷器。空冷器與列管換熱器相比較，具有如下優(yōu)點：空氣可以免費取得，不需要各種輔助費用；空氣腐蝕性低，不需采取任何清垢和清洗的措施；由于空冷器的阻力約為100～200 Pa，因此運行費用低。缺點是：空氣側傳熱膜系數(shù)低，空冷器占地面積大；受環(huán)境影響大，通常不能將流體冷卻到低溫。空冷器和列管換熱器各有自己的適用場合，但空冷器的優(yōu)越性愈來愈受到重視，以空冷代替水冷的趨勢仍在持續(xù)發(fā)展。列管換熱器與空冷器的選用取舍取決于經(jīng)濟性及環(huán)境保護。

空冷器通常不能將流體冷卻到低溫，決定空冷器是否經(jīng)濟的一個重要指標為接近溫差，即流體出口溫度和空冷器入口空氣溫度之差?？绽淦鞯慕咏鼫夭钜话愦笥?0～25℃，否則不經(jīng)濟。

3.2 空冷器的通風方式

空冷器的通風方式是空冷器設計首先要考慮的問題，目前使用的空冷器主要有引風式和鼓風式兩種，這兩種型式各有其優(yōu)缺點。

鼓風式是指空氣先經(jīng)風機再到管束。其優(yōu)點是：在大氣環(huán)境條件下風機功率消耗較小，對風機及傳動機構材料無須特別要求，風機使用壽命較長，便于機械部件的維修；由于空氣的紊流作用，管外側傳熱膜系數(shù)略高。其缺點是：管束暴露于大氣中，易受雨雪天氣的影響，遭受污染和腐蝕；排出的熱空氣容易回流，產(chǎn)生熱風再循環(huán)；風機出現(xiàn)故障時，自然抽風能力較差；噪聲比引風式約高3 dB。

引風式是指空氣先經(jīng)管束再到風機。其優(yōu)點是：風機和風筒對管束有屏蔽作用，能減少天氣對管束的影響，有利于熱流體出口溫度的控制；風機出現(xiàn)故障時，自然通風能力較強；空氣出口速度大，因而發(fā)生熱風再循環(huán)的可能性很小。其缺點是：風機處于高溫氣流中，要求葉片和軸承有較好的耐熱性能；需要的電機功率較大。

3.3 空冷器的運行

在空冷器實際運行過程中，我們發(fā)現(xiàn)大流量介質的空冷器容易引起短路，由于流量分配不均勻，導致熱流體進入4片管束時大部分直接進入靠近進出口管路的那片管束，其他3片管束參與換熱很少，從空冷器出口處幾乎感覺不到熱風。這種情況發(fā)生在板換與空冷器串聯(lián)使用時，由于近一半的熱量已經(jīng)從板換帶走，進入空冷器時已經(jīng)變成水汽混合物，由于水蒸氣冷凝成水后在管束中的流速非常低，流量很小，基本上從挨得最近的第一片管束中流過，形成了事實上的短路。

為了解決這個問題，我們把4片管束下方排污口相互連通，起到了很好的效果，具體詳見圖4。圖中雙點劃線區(qū)域為增加管路部分。

圖4 管束短路解決方案

4 運行結果與收益

4.1 運行結果

空冷器自2009年10月正式使用至今已有2年多的時間，設備工作可靠，性能良好，達到或好于設計要求。即使在滿負荷的狀態(tài)下，冷凝液的出口溫度也低于設計溫度85℃。

4.2 經(jīng)濟收益與投資回收期

對空冷器的經(jīng)濟分析是按下列實測的數(shù)據(jù)進行的。這些數(shù)據(jù)是：電價Ce為0.51元/千瓦小時，風機運行功率Cf為88 kW，水泵運行功率Cb為420 kW，年運行時間 Δt為8760 h/a，冷卻系統(tǒng)總投資A為150萬元 （不含板式換熱器和制冷機）。

進氣冷卻所提高的功率ΔE按年平均溫度降至15℃時的數(shù)值計，即按800 kW計，與上述實測數(shù)值相當，于是便可算出一年的經(jīng)濟收益ΔB。

考慮空冷器設備新增人工和維修成本等因素，取收益系數(shù)ξ=0.9，并按10年使用期折舊，則實際年收益為：

如果算上空冷器每年節(jié)約的冷卻水，則投資回收期約為1年，因此整套空冷器改造項目的經(jīng)濟性十分良好。這里需說明的是，經(jīng)濟性分析未考慮板式換熱器和制冷機的影響，由于制冷機系統(tǒng)的投資較大，總的投資回收期可能需要2～3年，但節(jié)能效果顯著。

5 結論

（1）空冷器改造項目經(jīng)濟效益顯著，投資回收周期短，以電力折算的年收益近150萬元，1年就可收回投資。

（2）對于接近溫差大于25℃時，空冷器比水冷卻器更經(jīng)濟。

（3）改造方案選擇恰當，在現(xiàn)有的管路系統(tǒng)中并聯(lián)布置改造設備，既不影響原有系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又節(jié)省了投資，夏天制冷機的使用最大化地利用了現(xiàn)有的能量。

（4）空冷器設計合理，計算準確，能滿足使用要求，并留有較大的工作裕度。

（5）整個系統(tǒng)運行二年多來工作穩(wěn)定，性能良好，不但節(jié)能、節(jié)水，獲得了可觀的經(jīng)濟效益，而且還因進一步滿足了生產(chǎn)的需要，為公司創(chuàng)造了更豐厚的利潤。

[1]馬義偉.空冷器設計與應用 [M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998.

[2]陳沛霖，岳孝方.空調與制冷技術手冊 [M].上海：同濟大學出版社，1990.

[3]朱聘冠.換熱器原理及計算 [M].北京：清華大學出版社，1987.

[4]航空工業(yè)總公司第614研究所熱能工程公司.金屬軋片換熱管·換熱器 [M].無錫：第614研究所，1995.

Application of Air Cooler in Chemical Fiber Polyester Project

Guo Jie Cong Yue

Describes the application of air cooler in the chemical fiber polyester project.The temperature of esterifying steam was cooled down to 55℃from 100.5℃by cooling water tubular heat exchanger in original polyester production process,but now the cooling water tubular heat exchanger is replaced by air cooler and plate heat exchanger.After the transformation,the operating cost is greatly reduced,the operating power of original pump is 420 kW,and the power of air cooler and plate heat exchanger is 88 kW,it could save 332 kW,and no longer need cooling water,so the water and energy saving effect is obvious.The paper also describes the selection of cooling scheme,design and characteristics of air cooler,operating results,economic benefits,as well as the investment recovery period.

Air cooler;Tubular heat exchanger;Plate heat exchanger;Energy saving;Finned tube;Polyester

TQ 051.6

*郭杰，男，1967年生，工程師。桐鄉(xiāng)市，314513。

2012-02-28）