空冷器的应用与工艺系统设计_马连强

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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计 2005, 15( 2)
212 工艺设计步骤
空冷器的工艺设计包括总体方案确定、估算和
详算 3 个步骤, 其间需要反复试差或修改方案。 21211 总体方案
根据工艺要求、场地情况、环境气温变化资
料及环保等要求, 通过技术经济比较选择水冷或 空冷, 选定空冷器的型式及其组合方式 ( 干式与 湿式的组合, 水冷与空冷的组合等) 。 21212 估算
( 2) 出口温度的选取是直接影响空冷器经济 性的重要指标。热流体出口温度与设计气温之差 称为接近温差 ( 或接近温度) 。一般条件下, 对
干式空冷器接近温度一般应> 15 e 。若热流体出 口温度不能满足要求, 可考虑采用湿式空冷器。 一般认为: 热流体冷却至 75 e , 选用干 式空冷 最经济; 热流体冷至 75~ 65 e , 选用干 式或湿 式空冷均可; 热流体冷至比湿球温度高 5~ 6 e , 选用蒸发式湿空冷有利。 21113 管排数
管和风扇, 对压降有一定限制。 满足要求。
71 有一定的噪声。
71 无噪声。
X 马连强: 2004 年毕业 于大 连理 工大 学化 学工 程专 业, 获 硕士 学位。 主要 从事 化工 工 艺系 统设 计工 作。联 系电 话: ( 029) 82238189- 3225。E- mail: malianqiang@ 1631 com。
( 6) 对高凝固点和高粘度介质, 采用年平均 气温。
可根据具体情况取上述方法之一, 考虑到工 艺和经济上的合理性及我国大多数地区的气候条 件, 采用 ( 1) 较多。 21112 管内流体温度
管内流体温度指管内工艺流体的入口温度和 出口温度。
( 1) 理论上热流体入口温度愈高, 采用空冷 器愈经济, 但入口温度超过 200 e 时, 应考虑用 其它设备进行热量回收。目前使用的空冷器, 热 流体入口温度一般在 130 e 以下。入口温度若低 于 70 e , 则可考虑采用水冷。湿式空冷器的热流 体入口温度以 60~ 80 e 为宜, 以免喷淋水结垢。
决于空气的湿球温度) 。
~ 3 e 以下, 循 环 水在
31 大 气温 度波 动 大, 风、 雨、阳 水塔中可被冷却到接近
光、昼 夜 以及 季 节变 化, 均会 环境湿球温度。
影响 空冷 器 的性 能, 在 冬 季还 31 水冷对环境温度变化不
可能引起管内介质冻结。
明显, 调节操作比较容
41 由 于空 气密 度 小, 空气 侧 对流 易。
61 电源一 断, 即 要被迫 全部 停产。
表 2 空冷的缺点
空冷
水冷
11 空气比热小, 仅为水的 1/ 4, 故 11 在相同热负荷和冷却介
空气用量大。
质温升条件下, 水用量
21 冷 却效 果取 决 于干 球温 度, 通 小。
常不能把 工艺 流体 冷却 到 环境 21 水冷通常能使工艺流体 温度 ( 在湿 式 空 冷器 中, 还取 冷却到低 于空气温度 2
( 2) 按当地最热月的日最高气温的月平均值 加 3~ 4 e 。
( 3) 7、8 月的 日最高气温的 月平均值, 并 乘以 1110。
( 4) 不超过一年的最热 3 个月中或最热月期 间日平均气温 5% 时间的温度。
( 5) 假 定一 设计 气温, 一年 中 仅有 2% ~ 5% 时的温度超过该值。
uNF= V NF/ SF
式中, V NF 为 20 e 、10113kPa 时空气流量, m3/ s; SF 为管束迎风面积, m2。
管束迎风面积 SF 是垂直于空气流向的管束 外框内壁以内的面积, 计算方法如下:
SF= 管束的 宽 @ 长- 2@ 梁宽 @ 长
迎面 风速低, 传 热效果 差, 否则 空气 压降 大, 能耗高。一般取 uN F = 114~ 314m/ s, 管排 少时取上限, 管排多时取下限。 21115 翅片型式
表 4 用于物料冷凝的空冷器总 传热系数推荐值
冷凝物料
低沸点碳氢化合物 胺反应器蒸气 氨蒸气 氟利昂蒸气 轻汽油蒸气 轻石脑油蒸气 塔顶气体 ( 轻石脑油 水蒸汽及不凝性气体) 重石脑油蒸气 低压蒸汽 重整油
总传热系数 ( kcal/ m 2#h# e )
390~ 460 440~ 490 490~ 590 290~ 390
给热 系数 低, 故 空 冷器 的 冷却 41 水冷器结垢紧凑, 其冷
面积要大得多。
却面 积 比 空 冷 器 小 得
51 空冷 器周 围存 在 障碍 或设 计不 多。 当, 会 引 起热 风 循环, 降 低换 51 水冷器可设置在其它设
热效率。
备之间。
61 通常 要求 用特 殊 工艺 制造 翅片 61 用一般管式换热器即可
管排数对空冷器的经济性影响较大, 一般希 望空气温升大于 15~ 20 e 。增加管排数, 空气 温升增加, 但压降也增加。在实际设计中, 管排 数应灵活掌握, 例如, 当换热面积很小时, 可使 用较少的管排数; 而为了降低制造费用和占地面 积, 则可使用较多的管排数。 21114 迎风面空气流速
迎风面空气流速简称迎面风速, 它是空气状 态为 20 e 、10113kPa 时, 在迎 风面 处 的流 速, 用 uNF 表示。
31 空气 腐 蚀性 小, 不 需 要除 垢和清洗, 使用寿命长。
41 空 气 的 压 降 仅 有 98 ~ 196Pa, 故空冷 的操作 费用 低。
51 空冷 系 统的 维 护费 用, 一 般情 况下 仅 为水 冷 系 统的 20% ~ 30% 。
61 一旦 风 机电 源 被切 断, 仍 有 30% ~ 40% 的自 然 冷却 能力。
¹ 选定 tc2 Ft $T m K 0 A 0
º 工艺流体进出口温度 th1 、th2 y 确定定性温度及物性
若 A0 X Ac0,
重设 tc2
uNF 按空气侧热衡算求 SFy Ac0
表 3 和表 4 列出了各种工艺流体在横式翅片 空冷器中的总传热系数[ 2] , 文献中 [ 1] 也提供 了空冷器的总传热系数推荐值, 可在工程设计中 查阅。
表 3 用于物料冷却的空冷器总传热系数推荐值
冷却物料
低碳氢化合物 轻油 轻石油 燃料油 渣油 焦油 烟道气 氨反应器气体 碳氢化合物气体 空气或燃料气 机器冷却水
总传热系数 ( kcal/ m2#h# e )
375~ 475 300~ 350
350 100~ 150 50~ 100
25~ 50 50~ 150 400~ 450 150~ 450
( 1) 热流体出口温度与空气进口温度之差> 15 e 。
( 2) 热流体出口温度> 60 e , 其允许波动范 围> 5 e 。
表 1 空冷的优点
空冷
水冷
11 对 环境 没有 热 污染 和 化学 污染。
21 空气 可 随意 取 得, 不 需任 何附 属 设 备和 费 用。选 厂 址不 受 限 制, 这 对 无水 和 缺水地区尤为重要。
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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计 2005, 15( 2)
空冷器的应用与工艺系统设计
马连强 X 郑开学 金志康 高建红 华陆工程科技有限责任公司 西安 710054
摘要 介绍空冷器的应用条件和工艺系统设计过程。 关键词 空冷器 工艺系统 设计 应用
空冷器是以环境空气作为冷却介质, 对管内 高温流体进行冷却或冷凝的设备, 它具有不需要 水源, 适用于高温、高压的工艺条件, 使用寿命 长, 运转费用低等优点。随着水资源和能源的匮 乏以及环保意识的增强, 节水、节能、无污染的 空冷器将会得到更广泛的应用。
2 工艺设计
211 主要工艺参数[ 1]
空冷器的工艺参数与管壳式换热器相比, 不但 数量多, 而且各个参数之间的关联关系也更复杂。 21111 设计气温
设计气温指设计空冷器时选用的当地空气入 口干球温度。设计气温的选取有以下几种方法:
( 1) 保证每年不超过 5 天的最高气温, 即其 出现时间约占全年时间的 113% 。
11 排 放 水对 环 境 有 热 污染, 也常有化学污染。
21 冷 却 水往 往 受 水 源 限制, 要设置管线和泵站等设施, 特别对 较大的 厂, 选 厂址 时必须考虑有充足的水源。
31 水腐蚀性强, 也易于结垢, 需要进行处理。
41 循环水 压头 高, 故水 冷的 能耗较高。
51 由于水 冷设 备多, 易 于结 垢, 在 温暖 气候 条件 下易 生成微 生物, 附 于冷 却器 表面, 常需停工清洗。
管内给热系数 Ai> 2000W/ ( m2# e ) 时, 可 采用高翅片; Ai = 1160~ 2000 W/ ( m 2# e ) 时, 采用高低翅片均可; Ai= 110~ 1160 W/ ( m2# e ) 时, 采用低翅片; Ai < 110 W/ ( m2# e ) 时, 用 光管 ( 或在管内采用强化措施) 。对高凝固点流 体或寒冷地区, 为避免流体凝固或冻结, 宜采用 光管或低翅化比的翅片管。 21116 管程数
计算热负荷 Q y 选定设计气温 t c1 ( 对湿式 空冷或联合空冷, 应选定干球温度 t c1与湿球温 度 tw1) y 选取总 传热系 数 Ko y 选取翅 片管型 式、管束布置尺寸 y 按管内流速选取管程数 NP y选取适宜管排数 n2 y 选取迎面风速 uNF y 试差 求出空冷器出口气温 tc2及所需的光管面积 AO , 过程如下:
390 340~ 390
290~ 340
290~ 340 660 340
3 系统设计
311 配管[ 3]
( 1) 去空冷器的流体是两相流时, 必须满足 两相流对管线设计的要求, 以保证液体和气体均 匀分布到每个管束, 此管线需要对称布置。
( 2) 当空冷器的管口少于 4 个时, 可采用同 程式布置空冷器进出口管线。当集合管的管口为 4~ 6 个时, 从集合管中间进料; 出口管也同样 设计。当管口多于 6 个时, 每 6 个管口一个集合 管, 以保证流量均匀分配; 而且分配管上各支管 深入集合管内 50mm, 以利于液体均匀分配, 见 图 1 所示。
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21213 详算 根据选定管束的几何参数, 详算管内工艺流
体给热系数 Ai, 管外空气给热系数 A0, 总传热温 差 $T m, 再次计算 A 0。如与估算出的 A0 不符, 则需改变参数重新计算, 一般需要 5% 的裕量,
再次校核允许压降 $P , 确保选定的空冷器型号
满足工艺条件的各项要求。
管程数主要取决于管程允许压降及热流体温 度变化范围。管程数增 加, 则管 内流体流 速增 加。对冷却过程, 管内液体流速一般控制在 015 ~ 110m/ s, 气 体 质 量 流 速 一 般 控 制 在 510 ~ 10kg/ ( m2#s) ; 对冷凝过程或温差校正系 数 F t < 018 时[ 1] , 应考虑采用双管程或多管程。
空冷器按管束布置方式可分为水平式和斜顶 式; 按通风方式可分为鼓风式和引风式; 按冷却 方式可分为干式、湿式和干湿联合式。
1 应用
与水作为 冷却介质的传 统工业冷 却系统相 比, 空冷的优缺点如表 1 和表 2 所示[ 1] 。
由表可见, 在缺水地区 ( 如沙漠地带) 或水 冷结垢和腐蚀严重的地区, 适合采用空冷器。一 般在下述条件下采用空冷比较有利[ 1] 。
空冷器的主体部分由矩形的管束组成, 每个 管束有若干排三角形排列的管子, 该管子一般是 翅片 管, 也可以 是光管。介 质的流向 通常是逆 流, 热流体从管束顶端流入, 底部流出, 空气由 下向 上流动, 冷 却热的工艺 介质。另 外还有风 机、百叶窗、构架和风箱等部件, 风机驱动空气 流过管束, 百叶窗通过调节进入空冷器的空气量 来改善空冷器的调节和适应性能, 构架是支撑管 束、风机, 百叶窗以及其它附属件的钢结构, 风 箱用于导流空气。
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马连强等 空冷器的应用与工艺系统设计
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( 3) 空气的设计气温< 38 e 。 ( 4) 有效对数平均温度差 \40 e 。 ( 5) 管内热流体的给热系数< 2300 W/ ( m2 #e ) 。 ( 6) 热流体的凝固点< 0 e 。 ( 7) 管侧热流体的允许压降> 10kPa, 设计 压力> 100kPa。