濕式空氣冷卻器淺談

(陜西海通化工機械有限公司， 陜西 西安 710003)

空氣冷卻器是一種廣泛應用于石油化工生產裝置的熱交換設備。按冷卻方式，空氣冷卻器分為干式空氣冷卻器和濕式空氣冷卻器兩類。干式空氣冷卻器的冷卻介質為空氣,通過風機使環境空氣經過干式空氣冷卻器管束外表面帶走熱量,從而實現冷卻或冷凝管內高溫介質的目的。干式空氣冷卻器受環境溫度影響大，要求的介質出口溫度不能低于50 ℃，當介質出口溫度接近夏季的最高環境溫度(約40 ℃)時，不能滿足工業設計要求。濕式空氣冷卻器彌補了干式空氣冷卻器的缺陷，通過噴淋水使空氣干球溫度降至濕球溫度后，進入空氣冷卻器的空氣溫度較低，低溫空氣依靠風機將其掠過空氣冷卻器管束表面，從而帶走管內熱量，達到換熱的效果[1-5]。

按換熱原理,濕式空氣冷卻器可分為增濕型空氣冷卻器、噴淋型蒸發空氣冷卻器、表面蒸發空氣冷卻器、逆流復合型空氣冷卻器、順流復合型空氣冷卻器等。除增濕型空氣冷卻器外，其余濕式空氣冷卻器均為蒸發式空氣冷卻器。濕式蒸發式空氣冷卻器與水冷式熱交換器在換熱原理上存在本質上的差別。水冷式熱交換器是利用水的顯熱吸收熱量達到冷卻的目的，而蒸發式空氣冷卻器是利用水的潛熱也就是水在常溫下的蒸發吸收熱量，從而達到冷卻的目的。同樣質量的水蒸發所吸收的熱量是水溫升高5 ℃時熱量的116倍，在帶走同樣熱量時蒸發式空氣冷卻器比水冷式熱交換器用水量低，換熱效果明顯，蒸發式空氣冷卻器因而得到廣泛應用[6-7]。

1 濕式空氣冷卻器類型

1.1 增濕型空氣冷卻器

1.1.1工作原理

增濕型空氣冷卻器結構和工作原理圖見圖1。

1.管束 2.介質入口 3.空氣進口 4.閥門 5.循環水泵6.排水管 7.供水管 8.擋水板 9.介質出口 10.空氣出口圖1 增濕型空氣冷卻器結構和工作原理

在空氣入口處噴霧狀水，使干燥的空氣增濕之后接近飽和溫度，同時溫度降低。增濕之后的低溫空氣經過擋水板除去水滴，再掠過翅片管束，干空氣相對濕度愈小，增濕之后降溫愈多，冷卻效果也愈顯著，所以增濕空氣冷卻器應用在干濕球溫度差較大的干燥地區特別有效，其使用不存在翅片管結垢問題，還可以采用新鮮凈化水作為噴霧水。管內熱流體的入口溫度可在50～90 ℃，出口溫度可冷卻到稍高于環境空氣溫度[8-11]。

1.1.2結構特點

增濕型空氣冷卻器的占地面積比較大，在引風式干式水平空氣冷卻器的基礎上，側面增加1套噴水系統(圖1)，且擋水板的高度不小于管束長度的2/3，噴淋設在空氣進口處，能使干燥的空氣溫度降低，接近濕球溫度。介質進口端管束下方為噴水側，介質出口側須封閉，兩側為進風口，需設置百葉窗，中間的擋水板可以防止水珠直接被風機引到管束上。風機在管束的上方，葉片選用玻璃鋼材質較為理想。增濕型空氣冷卻器適用于空氣濕度小于60%的干旱地區，對于潮濕地區增濕型空氣冷卻器是不適用的。

1.2 噴淋型蒸發空氣冷卻器

1.2.1工作原理

噴淋型蒸發空氣冷卻器依靠水噴淋在管束翅片管表面形成霧狀水，使翅片表面完全被水濕潤，空氣以一定的速度掠過管束，依靠翅片表面上水蒸發帶走大量的熱量，可使熱流體出口溫度冷卻到等于或小于環境空氣溫度。管外膜傳熱系數比普通的干式空氣冷卻器傳熱系數大2～4倍，而噴水用水量僅為水冷式熱交換器的2%～3%，傳熱面積可以減少15%～30%[12-14]。此外，水的噴淋蒸發不僅使空氣冷卻器入口溫度由原來的干球溫度降至濕球溫度，而且還因為水的汽化潛熱很大，能導致空氣冷卻器出口風溫溫升很小，傳熱溫差要比普通的增濕型空氣冷卻器大很多。

1.2.2結構特點

噴淋型蒸發空氣冷卻器結構組成見圖2。濕式翅片管束立式放置在構架的兩側，最外面是噴水裝置，管束的內側為通風道和噴淋水回收通道，中間是風機部分，管束下方高度需要考慮接水槽的空間，一般為800～1 000 mm，管束上方高度需要考慮通風風道空間，一般在1 000～1 300 mm，最上方是風筒及引風式風機。

1.引風式風機 2.濕式構架口 3.空氣進口 4.集水槽 5.循環水泵 6.進水管 7.介質出口 8.噴淋 9.介質入口 10.濕式管束 11.空氣出口圖 2 噴淋型蒸發空氣冷卻器結構簡圖

此空氣冷卻器占地面積大，當需要同時放置多組時，噴淋兩側需要有2 m以上的檢修通道及進風通道。每組只能設置2臺管束，考慮噴水的穿透力，多數管束設計為4排管，也可以設計成6排管，但一般不建議設計成6排管以上。

對噴淋型蒸發空氣冷卻器噴頭的選型，需要考慮其噴水須布滿整個迎風管束表面，噴出的水須為霧狀，因此一般選擇螺旋霧狀噴頭，可以交叉布置。例如，在SL9×3管束設計時，噴淋噴頭距翅片管距離在750 mm，噴頭設計數量為9～13個。此噴淋型蒸發空氣冷卻器還可以將斜頂空氣冷卻器作為干式空氣冷卻器的預冷卻設計在最上方，構成干濕聯合蒸發空氣冷卻器(圖3)[15-17]。

1.介質入口 2.空氣出口 3.干式管束 4.濕式構架口 5.空氣進口 6.集水槽 7.循環水泵 8.進水管 9.介質出口 10.噴淋 11.濕式管束 12.引風式風機圖 3 干濕聯合蒸發空氣冷卻器結構簡圖

1.3 表面蒸發空氣冷卻器

1.3.1工作原理

表面蒸發空氣冷卻器工作時，空氣經下部的進風百葉進入設備內部，在引風式風機的強力作用下，自下向上流動，噴淋水均勻地噴灑在光管管束上，在光管表面形成水膜，多余的噴淋水流入水箱，水箱側面的水泵再將水送至噴淋管。噴淋水為循環使用，蒸發所損耗的水量從外部給水管補充。噴淋水在光管表面蒸發，促使管內的傳熱得到強化，使得蒸發段的光管空氣冷卻器有很高的傳熱性能。同時表面蒸發段空氣冷卻器的空氣溫度下降或者接近空氣濕球溫度，這股降溫之后的空氣再送到上部翅片管干式空氣冷卻器，進一步提高了表面蒸發空氣冷卻器的傳熱效果[18-26]。

表面蒸發空氣冷卻器介質先進入上部的翅片管束進行預冷卻，再進入下部的光管管束進行蒸發冷卻，以保證其最大的節約資源，讓降溫后的濕空氣進入上部翅片管外表面，使介質得以冷卻。

1.3.2結構特點

表面蒸發空氣冷卻器結構組成見圖4，其結構實際上是另外一種干濕聯合空氣冷卻器，從下向上依次布置水箱、進風百葉、光管管束、噴淋水管、翅片管管束及引風式風機。對光管管束，其換熱管為碳鋼時，需對換熱管進行熱浸鋅防腐處理，以增加設備的使用壽命[27-31]。

1.引風式風機 2.介質進口 3.介質出口 4.噴淋管線 5.噴淋閥門 6.水泵 7.泵吸入口 8.進水(補水)口 9.排污口 10.進風口 11.光管管束 12.噴淋 13.U型彎頭 14.翅片管束 15.出風口圖4 表面蒸發空氣冷卻器結構簡圖

這種蒸發型空氣冷卻器具有較高的綜合效益，在蒸發段，光管管束可以布置較多的換熱管，使得這種空氣冷卻器的結構更為緊湊。管箱采用方箱絲堵式管箱，可以自由分配管程數，根據每管程的換熱管數量計算其壓力損失、流速是否符合要求，同時絲堵式管箱方便檢修。在設計時還可以將噴淋管與下部的光管側梁做成一體，以減少在運行過程中的水泄漏。

翅片管管束一般設計成一管程，翅片管的出口端即為光管管束的進口端，兩者之間用U型接管連接，翅片管一般設計成4～6排管，這樣翅片管還有1個捕霧器的作用(圖4)。翅片管讓自下而上的濕熱空氣，將水蒸氣阻擋在設備內部繼續循環，從而減少耗水量。

1.4 逆流復合型空氣冷卻器

1.4.1工作原理

2種逆流復合型空氣冷卻器結構組成見圖5。

(a) 結構1 (b)結構21.翅片管束 2.介質進口 3.噴淋閥門 4.進水(補水)口 5.水泵 6.排污口 7.泵吸入口 8.噴淋管線 9.進風口 10.介質出口 11. 冷凝盤管 12.噴淋 13.U型彎頭 14.引風式風機 15.出風口 16.捕霧器圖5 逆流復合型空氣冷卻器結構組成

介質從上部進入冷凝盤管內，冷卻水由循環水泵送至冷凝盤管上部的噴淋裝置中，再由噴嘴將水均勻噴到冷凝盤管表面上形成水膜。盤管內的高溫介質與盤管外的水和空氣進行熱交換，軸流風機強制空氣以5～7 m/s的速度通過冷凝盤管，管內高溫介質逐漸被冷卻，管內介質冷卻放熱，管外噴淋水蒸發吸收熱量，使部分噴淋冷卻水變成水蒸氣。水蒸氣經過收水器(捕霧器)時，水分被回收，而濕空氣則被排到設備外。同時在軸流風機的作用下，使冷凝盤管處形成負壓，進一步強化了噴淋水的蒸發，提高了機組的換熱效果。未蒸發的水在下落的過程中被空氣冷卻，并均勻下落到水槽中循環使用。進水閥自動補充水箱內的冷卻水，使其保持一定的水位，保證正常循環的進行[32-33]。

以上2種逆流復合型空氣冷卻器工作原理相同，其下部的冷凝U型盤管均是一樣的結構，只是根據進口溫度的高低，在設計時考慮是否需要進行預冷卻，使進入冷凝盤管的介質溫度不大于80 ℃。圖5a考慮介質進口溫度較高工況，需先采用翅片管進行預冷卻，翅片管采用低翅設計，不少于4排，同時翅片管可以起到捕霧器的作用。圖5b則是介質進口溫度在80 ℃左右工況，無需采用翅片管預冷卻，介質直接進入冷凝盤管，上部設置捕霧器，可節約水資源。

1.4.2結構特點

復合型空氣冷卻器實際上是在表面蒸發空氣冷卻器的基礎上改進得到的新型空氣冷卻器，主要結構特點將表面蒸發空氣冷卻器的方型管箱改為圓管管箱。工作時，由于水流向下沿換熱管流動，而風在引風式風機作用下向上流動與在換熱管外表面下降的水呈不同的方向(圖6)，故稱為逆流復合型空氣冷卻器。

圖6 換熱管外表面風與水逆向

只在介質進(出)口換熱管匯總處設置圓形管箱，中間各管程的連接均為U型彎頭。這樣的設計極大減小了管箱的尺寸，同時克服了由于熱脹冷縮引起的熱膨脹量(圖5a)。

管箱設置在管束的長度方向，換熱管直端長度為2.7 m，1.5～2.0 m寬度排布換熱管，從而形成模塊化結構，每個模塊制作完畢后整體進行478 ℃的熱浸鋅防腐處理。模塊化結構的優點是，可根據換熱量的不同，靈活增減模塊數量，1～2模塊設計1臺引風式直聯風機，每個模塊外面用噴塑板包裝，外觀精美大方。水箱與噴淋共同使用，也可以在冷凝盤管上方再設計翅片管束進行介質的預冷卻，資源被更好地最大化使用，翅片管束與冷凝盤管之間設置噴淋、除霧器，兩者之間介質進出口用U型法蘭連接(圖5b)。

1.5 順流復合型空氣冷卻器

1.5.1工作原理

順流復合型空氣冷卻器結構組成見圖7。工作時盤管內的熱流體與盤管外的噴淋水和空氣進行熱交換，熱流體溫度被降低。引風式風機的超強風力使噴淋水完全覆蓋在盤管表面上，促進了盤管內外流體的熱交換過程，使換熱效果顯著增高。噴淋水和空氣吸收熱量后溫度升高，部分水由液態變成水蒸氣，蒸發潛熱帶走大量的熱，熱空氣中的水被收水器(擋水板)截住收集到PVC填料熱交換層中。填料對經過熱交換的噴淋水進行二次冷卻，溫度降低，進入水槽中，循環水的溫度可以降至濕球溫度以下，再由循環水泵送入噴淋系統中，繼續循環冷卻。散失到空氣中的水分由水位調節控制補充。設備的規格大小，可以根據負荷的大小，由不同的電機轉速或不同的風機電機組合來控制[34-36]。

1.引風式風機 2.上脫水器 3.下脫水器 4.檢修通道 5.水泵 6.水箱 7.PVC填料 8.噴淋閥門 9.進風口 10.空氣過濾網 11.介質出口 12.冷凝盤管 13.介質進口 14.噴淋 15.出風口圖7 順流復合型空氣冷卻器結構簡圖

設備運行時，被冷卻介質走換熱盤管內，噴淋水系統將水箱內的冷卻水噴淋到光管換熱管上。軸流風機迅速將設備內部的高溫飽和空氣抽走，引入新鮮空氣。填料熱交換層對經過熱交換的噴淋水進行二次冷卻，收水器負責收集飽和空氣中的小水珠。此過程可最大限度降低水的損耗，因此同樣的換熱面積條件下，順流復合型空氣冷卻器的換熱效果是其他濕式空氣冷卻器換熱效果的1.5～3倍，故又被稱為高效復合式空氣冷卻器。

1.5.2結構特點

順流復合型空氣冷卻器由換熱盤管、PVC噴淋系統、收水器、風機、填料交換層及支撐件等組成(圖7)，其設計結構緊湊，換熱面積小，內部空間較大，方便檢修，噴淋系統在設備的最上方，而且裸露在外面，方便快速檢修檢查噴嘴和盤管，且通過填料可以使相同的換熱面積達到更大的換熱效果。

設備運行時，水流和風速是同一方向，均向下沿換熱管外壁流動，極大增強了換熱效果，且可以保持換熱管外表面完全濕潤。此外，同向流動(圖8)可以減少因為風水逆向在換熱管下面形成干點而結垢的可能。

圖8 換熱管外表面風與水同向

順流復合型空氣冷卻器設計有收水器及填料，水的蒸發量較低，節能節水，使其操作費用隨之降低。由于噴淋水與冷卻風為順流，從而改變了傳熱方式，這樣極大降低了冷卻水量及循環泵的功率，節約了能耗。順流復合型空氣冷卻器可以模塊化設計，設備制造、安裝、檢修、維護方便。由于有填料將循環水冷卻到濕球溫度以下，故可以使介質冷卻溫度更低，接近空氣濕球溫度。順流復合型空氣冷卻器為模塊化制作，其整體熱浸鋅防腐處理，使用壽命長。每個模塊外表面護板為鍍鋅噴塑雙重防腐，外形美觀大方。盤管采用U型彎頭，其為柔性結構設計，消除了熱應力，運行更加安全可靠?？梢赃\用變頻等自動控制技術，工藝指標精確控制。

2 濕式空氣冷卻器設計要求

作為干式空氣冷卻器的補充設計，在設計濕式空氣冷卻器時，需充分考慮翅片管與光管之間的熱負荷比例。濕式空氣冷卻器一般適用于介質進口溫度80 ℃左右、出口溫度接近環境溫度的工況。水質對濕式空氣冷卻器有較大影響，水在80 ℃以上易結垢，因此當其工藝介質的進口溫度在80 ℃以上時，需要先在濕式空氣冷卻器上方設計干式翅片管空氣冷卻器進行預冷卻，讓其進入濕式空氣冷卻器的介質溫度在80 ℃以下，這樣有利于最大限度地利用光管管束的蒸發量，讓介質冷卻效果最佳，而且不易造成換熱管外表面結水垢，可保證濕式空氣冷卻器長期、高效、安全使用[4-7,37-39]。

濕式空氣冷卻器主要應用于干式空氣冷卻器不能滿足使用條件的工況，即介質出口溫度接近當地最熱月的環境溫度。濕式空氣冷卻器可以使空氣在進入空氣冷卻器前經過噴淋水降溫至接近當地濕球溫度，從而達到換熱的目的。

濕式空氣冷卻器是通過在運行過程中，利用水來降低環境溫度，或通過循環水蒸發來達到冷卻空氣的目的。故在設計時，需充分考慮其結構的緊湊性和密封性，最大、最好地利用其水資源進行換熱。對于設備改造、增加產量或由于空間限制不能布置更多的干式空氣冷卻器等具體情況，可以考慮設計濕式空氣冷卻器來彌補空間的局限性。

3 濕式空氣冷卻器制造要求

必須嚴格按照圖樣設計尺寸制作濕式空氣冷卻器，并將尺寸誤差控制在允許范圍之內。濕式空氣冷卻器的加工精度要求較高，而且要求整套濕式空氣冷卻器的密封性好、不允許漏水。對于水箱、噴淋水能接觸到的連接部分，在工廠制作時，首先須全部實焊，不允許有焊接缺陷，以防止在運行過程中發生水泄漏。

在制作水箱百葉時，百葉內側須加設不銹鋼網，目數為30左右，同時還要在泵吸入口設置1個400 mm×400 mm的方形過濾裝置，防止雜物進入循環泵損壞泵及堵塞噴頭，同時保證四周有進水量的補給。

尺寸誤差也需要嚴格控制。各部件之間的連接孔間距誤差小于1.5 mm，外形尺寸誤差小于2 mm，對角線誤差小于4 mm。風機的風筒直徑嚴格按圖樣設計要求加工，直徑偏小會影響葉片的高速運轉，直徑偏大會影響風機的使用效果，有可能達不到風機風量的設計要求。

制造噴淋型蒸發空氣冷卻器時，必須在下側梁靠內側一面沿側梁邊部切割100 mm×20 mm的缺口，缺口間隔設為100 mm，缺口的設置應能使水順利流入集水槽內，而且不會在側梁內部積滿溢出。還需在兩端管箱的內側焊接擋水板，以防循環水在運行中沿換熱管向外流出。因為管束豎直放置，上下梁在壓緊翅片管時必須完全壓緊，以免翅片管發生坍塌。

制造表面蒸發空氣冷卻器時，其翅片管束、噴淋、光管管束的側梁均由8 mm的鋼板折彎而成，上下用側梁折彎后的螺栓孔連接，端面用其擋風梁連接，水箱上沿采用140規格槽鋼制造。這樣側梁、各連接部位孔允許誤差就需小于2 mm，且平整度、直線度允許誤差不得大于3 mm[12-13,32,37]。兩者相連的部分墊上8 mm的橡膠板，并在橡膠板的上下表面涂上密封膠，以保證水在循環過程中不向外泄漏。

制造復合型空氣冷卻器時，在盤管制作完畢后，要求整體進行478 ℃的熱浸鋅防腐處理，外框架的尺寸要求更嚴格，其直線度、對角線誤差均不得大于1.5 mm，以保證在外側固定包裝板時的準確性。在固定包裝板時，需要在包裝板之間、包裝板與冷凝盤管框架接觸面等部位加上40 mm×5 mm的密封膠帶，以保證其運行過程中水不會泄漏。用M5帶密封墊的自攻絲將其各個部分全部連接，自攻絲的間距必須小于150 mm。同時管位伸出包裝板的空隙也是一個泄漏點，需在包裝板內外表面設置加緊圓盤，兩者之間還必須使用密封膠帶，最后將加緊圓盤、密封膠帶、包裝板一起用螺栓M8上緊。

將水箱先固定在基礎上，然后同基礎一起用地腳螺栓固定。把盤管模塊放置在水箱上，兩者之間須加密封膠帶，注意水箱的外沿與盤管框架外沿平齊，保持包裝板露出外沿，待盤管就位之后再將水箱與盤管之間的包裝板用M5的自攻絲固定。吊裝盤管時，用支撐件鋼絲繩進行吊裝，以免鋼絲繩損壞包裝板。連接噴淋管線，將PVC噴淋管線連接好后，再用密封膠將其密封，最后將傘型噴淋頭固定于噴淋支管上。接著安裝捕霧器(收水器)、順流復合型空氣冷卻器的填料，最后將風筒、風機用螺栓固定于最上端。

根據現場檢修使用情況，可優化濕式空氣冷卻器結構。方形絲堵式管箱方便檢修及堵漏，圓管型管箱可減少介質漏點[40-42]。

4 濕式空氣冷卻器安裝使用要求

現場安裝濕式空氣冷卻器時，要求先檢查現場各部件、連接件、基礎是否按照圖樣設計，零部件、標準件(水泵、閥門、螺栓、密封膠帶、密封膠及墊片等)數量是否充足，規格是否齊全，是否按位號將各部件放置于合適的平臺上。

安裝時需注意泵、閥門的進、出口方向。若安裝后發現濕式空氣冷卻器各部件有漏水的地方，需用鋼結構密封膠將其密封。對于面積較大的泄漏，可以先用發泡膠或者其他合適材料填充，再用密封膠密封。總之，安裝完畢后濕式空氣冷卻器不能出現漏水處，以減少運行過程中水資源的浪費及保證平臺的干燥。

設備運行時，先開啟噴淋系統，正常工作時的水壓應穩定(0.3～0.5 MPa)，但環境變化及處理量波動時，可通過閥門進行相應的調節。補水閥(進水閥)應保持常開狀態，應定期檢查補水閥的浮球是否完好，每天檢查水壓與水質是否符合操作規定(表1)，同時注意水箱的水位必須高于泵吸入接管。冷卻水在進入機動泵時應進行過濾，其雜質最大顆粒度應不大于1 mm。夏季應隨時測定水箱的水溫，應及時補充、置換水箱的水，控制噴淋水的水質檢測值不大于設計值。

表1 噴淋水質指標

噴淋水運行正常后，再開啟熱流介質，調節并使其指標在設計值范圍內，并隨時監測熱流介質的各項運行參數。

5 結語

濕式空氣冷卻器是一種節水型冷卻系統，國內外專家經過大量的研究論證，已充分證明了其可行性和可靠性。在我國，尤其是北方地區，水資源緊缺已經成為制約經濟發展的重要因素，濕式空氣冷卻器可以極大減少用水需求，節約能源，減少環境污染，具有良好的經濟效益、社會效益和發展應用前景。本文可為濕式空氣冷卻器的選型提供依據和參考。