復合式蒸發空冷器結構優化的研究

劉琛

湖北宜化集團化工機械設備制造安裝有限公司 湖北宜昌 443007

蒸發冷卻技術利用空氣強制流動和水分蒸發將制冷劑冷凝時的熱量帶走。20世紀70年代起，美國等一些國家在就開始把蒸發冷卻技術運用在冷庫制冷裝置上[1]。我國從20世紀80年代開始，逐步在食品、化工、制冷中采用蒸發冷卻技術，經過幾十年生產實踐的結果證明，蒸發冷卻技術的節水節能效果明顯。近幾年來，在氮肥行業，蒸發冷卻技術在氨合成、甲醇合成、精餾及余熱回收氨冷凍等工序中的流體冷卻器、空氣處理、冷卻塔、除濕盤管冷卻及冷凝等方面也有了較為深入的運用。

本文以某廠復合蒸發式空冷器實際效果和理論計算的差異為研究對象，對復合蒸發式空冷器運行性能不滿足設計問題的進行分析，找到了問題發生的原因，并提出了優化解決的方案。

1 工作原理和結構分析

復合蒸發式空冷器是以空氣和水為冷卻介質，一方面利用水蒸發帶走氣相熱介質，冷凝過程放出的熱量包括部分氣相和部分液相的顯熱；另一方面，以接近濕球溫度的空氣冷卻循環水并通過被反復冷卻的循環水與熱流體的間接換熱來達到冷卻的目的。

蒸發冷卻分為直接、間接和兩級蒸發冷卻技術。本文研究的復合蒸發式空冷器運用就是兩級蒸發冷卻技術。蒸發冷卻過程，如圖1所示，溫度為t0的空氣先后由間接蒸發冷卻和直接蒸發冷卻設備處理后沿等濕線溫度下降到tsf。

圖1 兩級蒸發冷卻焓濕圖

復合蒸發式空冷器主要由主機、噴淋循環水箱、噴淋循環水泵及電控柜等構成，其中：主機由殼體、換熱器、風機、噴淋系統、除水器、水槽及管路閥門等零部件組成[2]。

2 運行問題及分析

在復合蒸發式空冷器的生產運行過程中，存在進出口水溫差小、出口水溫達不到生產工藝的要求，無法節約電耗和水耗，達不到節能的要求。面對生產實際中的異常情況，筆者針對問題可能產生的原因做了研究和分析：

首先是理論計算分析，因實測的回水溫度與進水溫度相差很小，首先需要考慮換熱面積是不是滿足需求。經過重新的工藝計算后，需要設計換熱面積可滿足使用要求，且空冷部分翅片管對水冷部分換熱面積進行一定的補充，完全能夠滿足使用要求。

在排除設計原因后，我們對現場使用的具體情況進行了測試，選取10臺復合蒸發式空冷器，對進出口溫度進行測量，通過分析，我們發現部分設備能達到使用效果，設備進口溫度越高，設備的出口溫度降幅越明顯。而因蒸發部分計算沒有問題，那么問題很可能是出在空冷部分。

我們選取兩臺臨近的設備，分別選取了7個測量點進行風量測量，統計分析后發現兩臺設備四臺風機平均風量分別為6.18×104m3/h和9.93×104m3/h，均遠低于風機正常工況14.5 ×104m3/h。

隨后，我們對設備運行過程中的風壓進行了測量，實測工作風壓在480Pa左右，遠大于風機設計值360Pa，判斷風機的運行已處于失速狀態。根據實測數據繪制的風機失速曲線，如圖2所示：

圖2 風機失速曲線圖

風機曲線與空冷器特性曲線的交點是風機的運行點。風機設計規范規定風量增大10%、風壓增大21%情況下，通過調整角度風機能夠與空冷器匹配運行。如果偏離很大，就會造成風機失速，如“4葉B型設計曲線”與“空冷器實際曲線”的交點就處于了失速區，可以確定風機失速。

3 解決及優化

通過理論分析和實驗后，基本確定導致復合蒸發式空卻器冷卻效果低于設計值的原因，是由設備實際工作壓力超出設計壓力引起風機風量不足，和設備之間間距不足，導致設備之間形成了熱風回流，增加了設備的風壓，風機出風量實際使用達不到設計值，實際風量遠小于設計風量。針對風量問題最直接的方法是增加電機功率，但通過計算后，因增大電機功率而引起的系統增加的用電負荷約為1400KW/h，導致電耗的大幅度上升，從經濟角度分析該方案不可取[3]。通過進一步分析，筆者認為，可以從減少風壓和降低熱風回流兩個方面入手，通過對風機葉片的改造來降低這兩個參數對設備運行的影響。

4 結語

復合式蒸發空冷器的設計已較為成熟，單臺設備的設計可以滿足實際需要，但在設計多臺設備組成的工藝系統時，一定要綜合考慮系統中的設備，及設備之間的相互影響而形成的風阻對設備使用工況的制約。要綜合考慮設備布置，宜采用單排布置，且單排設備盡量與夏季主導風向垂直，如果因場地限制，需要雙排或多排布置時，排間距需通過計算和軟件模擬以保證進風。