噴霧增濕空冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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[關(guān)鍵詞]噴霧增濕；空冷器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；能效；緊湊度

一般來說，當(dāng)介質(zhì)低于120℃時(shí)，回收其熱量代價(jià)比較昂貴。為了降低回收成本，高效完成大量低溫介質(zhì)殘余熱量冷卻工作，空冷器作為一種節(jié)約能源、減少工業(yè)水污染、投資經(jīng)濟(jì)性高的熱交換設(shè)備已廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。對比翅片管式干空冷器的不足，如占地面積大、易受現(xiàn)場環(huán)境及夏季高溫影響出現(xiàn)換熱能力下降等問題，噴霧增濕空冷器具有緊湊度高、熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)[1,2]。

1空冷器簡介

空冷器是以空氣為冷介質(zhì)，冷卻管內(nèi)為熱介質(zhì)的換熱設(shè)備。按冷卻方式可分為：干式空冷器、濕式空冷器、干濕聯(lián)合空冷器，其中濕式空冷器包括：噴霧增濕型、噴水增濕型。一般干空冷可以把管內(nèi)熱介質(zhì)冷卻到高于環(huán)境溫度20℃，濕空冷可以把介質(zhì)冷卻到高于環(huán)境溫度3~5℃，干濕聯(lián)合型可以把介質(zhì)冷卻到接近或低于環(huán)境溫度。不同類型空冷器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合不同。干空冷器、噴霧增濕空冷器管內(nèi)介質(zhì)一般為單相介質(zhì)冷卻；噴水增濕空冷器、干濕聯(lián)合空冷器一般管內(nèi)為氣液兩相介質(zhì)冷凝冷卻。干空冷器、噴霧增濕空冷器主要靠空氣升溫顯熱冷卻管內(nèi)介質(zhì)，而噴水增濕空冷器、干濕聯(lián)合空冷器主要靠傳熱元件表面水膜蒸發(fā)潛熱冷卻管內(nèi)介質(zhì)。本文以新建大型空冷器項(xiàng)目為例，從傳熱性能、產(chǎn)品投資、應(yīng)用消耗等方面對比普通翅片管式干空冷器，詳細(xì)闡述噴霧增濕空冷器計(jì)算原理及特點(diǎn)。

2噴霧增濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1設(shè)計(jì)原理

噴霧增濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理利用大氣環(huán)境干球溫度高于濕球溫度特點(diǎn)，通過高壓水泵及霧化噴頭，將常溫常壓液態(tài)水細(xì)化成大量微小粒徑的霧化液滴，這些霧化液滴在風(fēng)機(jī)壓頭作用下順勢融入到空冷器迎風(fēng)面周圍空氣中，從而增加空氣相對濕度，使空氣干球溫度降至濕球溫度。最終通過增大傳熱溫差，提高空冷器換熱能力，達(dá)到節(jié)省換熱面積提高設(shè)備緊湊度，節(jié)省占地面積減少設(shè)備投資的目的[3~6]。

2.2設(shè)計(jì)條件

當(dāng)?shù)睾０?000m、相對濕度45%、最熱月平均溫度30℃，空冷器各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。由表1可知，該工位空冷器具有以下特點(diǎn)：(1)熱負(fù)荷、介質(zhì)流量大；(2)介質(zhì)出口溫度低（接近夏季大氣環(huán)境極端溫度）；(3)換熱面積大、占地面積大。

2.3噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空冷器噴霧系統(tǒng)設(shè)備及配件主要包括高壓水泵、霧化噴頭、過濾器、壓力表、止回閥、球閥、噴淋管線等。其中高壓水泵需根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量及噴霧后空氣含濕量差值計(jì)算總耗水量（泵的流量），噴頭一般選取噴出霧化顆粒在60-100um的霧化噴頭；高壓水泵根據(jù)噴頭霧化要求一般選取出口壓力為80bar的柱塞泵；噴霧采用除鹽水，管線設(shè)有過濾器凈化除鹽水。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，設(shè)定當(dāng)環(huán)境溫度超過30℃時(shí)開始噴霧，夏季極端溫度按40℃計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)環(huán)境大氣溫度從31~40℃時(shí)噴水總耗水量如表2所示[7]。由表2可知，當(dāng)環(huán)境溫度40℃時(shí)，將其冷卻至30℃時(shí)耗水量最大，所以噴霧增濕系統(tǒng)最大耗水量為14.84m3/h。根據(jù)耗水量及揚(yáng)程水泵電機(jī)選用37kW電機(jī)。噴霧系統(tǒng)工藝流程圖如圖1。由圖1可以看出，整套系統(tǒng)包含3臺水泵（兩用一備）、除鹽水管道、噴淋管線、管道閥門（安全閥、球閥、止回閥）、儀表管件（壓力表、過濾器、蓄能器）、噴頭等。噴頭與噴淋管線通過螺紋連接，噴淋管線縱向布置在空冷器管束底部迎風(fēng)面。為保證良好的噴霧效果，一方面應(yīng)合理布置噴淋管線間距，防止因噴頭噴霧半徑相互干涉噴霧水滴下落造成水資源浪費(fèi)，另一方面要適當(dāng)調(diào)整噴頭與最后一排換熱管的間距，使噴頭噴霧半徑與噴霧覆蓋面積相互匹配[8~12]。

3干空冷器與噴霧增濕空冷器性能與經(jīng)濟(jì)性對比

在干空冷設(shè)計(jì)中，一般按保證每年不超過5天的最高氣溫或按當(dāng)?shù)刈顭嵩碌娜兆罡邭鉁氐钠骄翟黾?~5℃作為空氣入口設(shè)計(jì)溫度；噴霧增濕空冷器，一般按當(dāng)?shù)刈顭嵩聵O端溫度與相對濕度，查表得出相應(yīng)濕球溫度作為空氣入口設(shè)計(jì)溫度。將本項(xiàng)目干空冷器與噴霧增濕空冷器兩組方案各參數(shù)對比于表3。從表3可知，干空冷器空氣入口設(shè)計(jì)溫度較高，并且當(dāng)設(shè)備熱負(fù)荷相同時(shí)，干空冷器需要更大的換熱面積及占地面積才能滿足換熱要求。按照設(shè)備使用壽命20年、每年8400工作小時(shí)（夏季噴霧360小時(shí)）、工業(yè)用電收費(fèi)0.7元/kWh、除鹽水7元/t計(jì)算，對比干空冷器與噴霧增濕空冷器投資及運(yùn)行總費(fèi)用，見表4。從表4可以看出，從長期運(yùn)行能耗角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節(jié)省費(fèi)用81.39萬元，提高能效30.5%，從總費(fèi)用、占地經(jīng)濟(jì)角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節(jié)省費(fèi)用581.39萬元，節(jié)省投資26.8%。

4結(jié)論

本文以某公司新建大型空冷器項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述了根據(jù)項(xiàng)目所在地相對濕度低、夏季溫度高、日照時(shí)間長、介質(zhì)處理量大、介質(zhì)出口溫度低等特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴霧增濕系統(tǒng)。并且通過干空冷器與噴霧增濕空冷器的對比，從換熱性及經(jīng)濟(jì)性兩方面分析得出，噴霧增濕空冷器具有能效高、占地面積小、緊湊度高、可模塊化、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、制造方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)周圍出現(xiàn)熱風(fēng)循環(huán)或夏季極端高溫時(shí)，環(huán)境溫度過高導(dǎo)致干空冷器的換熱能力下降，從而裝置降低負(fù)荷運(yùn)行。針對這些工況，噴霧增濕空冷器可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，調(diào)節(jié)起噴溫度達(dá)到降低空氣溫度，保證空冷器在各種工作環(huán)境下良好運(yùn)行。噴霧增濕空冷系統(tǒng)在大型石化空冷項(xiàng)目中具有很高推廣價(jià)值。

作者：張斯亮 陳韶范 馬金偉 張向南 楊磊杰 齊興 梅光旭 單位：上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司