湿式空气冷却器浅谈

(陕西海通化工机械有限公司， 陕西 西安 710003)

空气冷却器是一种广泛应用于石油化工生产装置的热交换设备。按冷却方式，空气冷却器分为干式空气冷却器和湿式空气冷却器两类。干式空气冷却器的冷却介质为空气,通过风机使环境空气经过干式空气冷却器管束外表面带走热量,从而实现冷却或冷凝管内高温介质的目的。干式空气冷却器受环境温度影响大，要求的介质出口温度不能低于50 ℃，当介质出口温度接近夏季的最高环境温度(约40 ℃)时，不能满足工业设计要求。湿式空气冷却器弥补了干式空气冷却器的缺陷，通过喷淋水使空气干球温度降至湿球温度后，进入空气冷却器的空气温度较低，低温空气依靠风机将其掠过空气冷却器管束表面，从而带走管内热量，达到换热的效果[1-5]。

按换热原理,湿式空气冷却器可分为增湿型空气冷却器、喷淋型蒸发空气冷却器、表面蒸发空气冷却器、逆流复合型空气冷却器、顺流复合型空气冷却器等。除增湿型空气冷却器外，其余湿式空气冷却器均为蒸发式空气冷却器。湿式蒸发式空气冷却器与水冷式热交换器在换热原理上存在本质上的差别。水冷式热交换器是利用水的显热吸收热量达到冷却的目的，而蒸发式空气冷却器是利用水的潜热也就是水在常温下的蒸发吸收热量，从而达到冷却的目的。同样质量的水蒸发所吸收的热量是水温升高5 ℃时热量的116倍，在带走同样热量时蒸发式空气冷却器比水冷式热交换器用水量低，换热效果明显，蒸发式空气冷却器因而得到广泛应用[6-7]。

1 湿式空气冷却器类型

1.1 增湿型空气冷却器

1.1.1工作原理

增湿型空气冷却器结构和工作原理图见图1。

1.管束 2.介质入口 3.空气进口 4.阀门 5.循环水泵6.排水管 7.供水管 8.挡水板 9.介质出口 10.空气出口图1 增湿型空气冷却器结构和工作原理

在空气入口处喷雾状水，使干燥的空气增湿之后接近饱和温度，同时温度降低。增湿之后的低温空气经过挡水板除去水滴，再掠过翅片管束，干空气相对湿度愈小，增湿之后降温愈多，冷却效果也愈显著，所以增湿空气冷却器应用在干湿球温度差较大的干燥地区特别有效，其使用不存在翅片管结垢问题，还可以采用新鲜净化水作为喷雾水。管内热流体的入口温度可在50～90 ℃，出口温度可冷却到稍高于环境空气温度[8-11]。

1.1.2结构特点

增湿型空气冷却器的占地面积比较大，在引风式干式水平空气冷却器的基础上，侧面增加1套喷水系统(图1)，且挡水板的高度不小于管束长度的2/3，喷淋设在空气进口处，能使干燥的空气温度降低，接近湿球温度。介质进口端管束下方为喷水侧，介质出口侧须封闭，两侧为进风口，需设置百叶窗，中间的挡水板可以防止水珠直接被风机引到管束上。风机在管束的上方，叶片选用玻璃钢材质较为理想。增湿型空气冷却器适用于空气湿度小于60%的干旱地区，对于潮湿地区增湿型空气冷却器是不适用的。

1.2 喷淋型蒸发空气冷却器

1.2.1工作原理

喷淋型蒸发空气冷却器依靠水喷淋在管束翅片管表面形成雾状水，使翅片表面完全被水湿润，空气以一定的速度掠过管束，依靠翅片表面上水蒸发带走大量的热量，可使热流体出口温度冷却到等于或小于环境空气温度。管外膜传热系数比普通的干式空气冷却器传热系数大2～4倍，而喷水用水量仅为水冷式热交换器的2%～3%，传热面积可以减少15%～30%[12-14]。此外，水的喷淋蒸发不仅使空气冷却器入口温度由原来的干球温度降至湿球温度，而且还因为水的汽化潜热很大，能导致空气冷却器出口风温温升很小，传热温差要比普通的增湿型空气冷却器大很多。

1.2.2结构特点

喷淋型蒸发空气冷却器结构组成见图2。湿式翅片管束立式放置在构架的两侧，最外面是喷水装置，管束的内侧为通风道和喷淋水回收通道，中间是风机部分，管束下方高度需要考虑接水槽的空间，一般为800～1 000 mm，管束上方高度需要考虑通风风道空间，一般在1 000～1 300 mm，最上方是风筒及引风式风机。

1.引风式风机 2.湿式构架口 3.空气进口 4.集水槽 5.循环水泵 6.进水管 7.介质出口 8.喷淋 9.介质入口 10.湿式管束 11.空气出口图 2 喷淋型蒸发空气冷却器结构简图

此空气冷却器占地面积大，当需要同时放置多组时，喷淋两侧需要有2 m以上的检修通道及进风通道。每组只能设置2台管束，考虑喷水的穿透力，多数管束设计为4排管，也可以设计成6排管，但一般不建议设计成6排管以上。

对喷淋型蒸发空气冷却器喷头的选型，需要考虑其喷水须布满整个迎风管束表面，喷出的水须为雾状，因此一般选择螺旋雾状喷头，可以交叉布置。例如，在SL9×3管束设计时，喷淋喷头距翅片管距离在750 mm，喷头设计数量为9～13个。此喷淋型蒸发空气冷却器还可以将斜顶空气冷却器作为干式空气冷却器的预冷却设计在最上方，构成干湿联合蒸发空气冷却器(图3)[15-17]。

1.介质入口 2.空气出口 3.干式管束 4.湿式构架口 5.空气进口 6.集水槽 7.循环水泵 8.进水管 9.介质出口 10.喷淋 11.湿式管束 12.引风式风机图 3 干湿联合蒸发空气冷却器结构简图

1.3 表面蒸发空气冷却器

1.3.1工作原理

表面蒸发空气冷却器工作时，空气经下部的进风百叶进入设备内部，在引风式风机的强力作用下，自下向上流动，喷淋水均匀地喷洒在光管管束上，在光管表面形成水膜，多余的喷淋水流入水箱，水箱侧面的水泵再将水送至喷淋管。喷淋水为循环使用，蒸发所损耗的水量从外部给水管补充。喷淋水在光管表面蒸发，促使管内的传热得到强化，使得蒸发段的光管空气冷却器有很高的传热性能。同时表面蒸发段空气冷却器的空气温度下降或者接近空气湿球温度，这股降温之后的空气再送到上部翅片管干式空气冷却器，进一步提高了表面蒸发空气冷却器的传热效果[18-26]。

表面蒸发空气冷却器介质先进入上部的翅片管束进行预冷却，再进入下部的光管管束进行蒸发冷却，以保证其最大的节约资源，让降温后的湿空气进入上部翅片管外表面，使介质得以冷却。

1.3.2结构特点

表面蒸发空气冷却器结构组成见图4，其结构实际上是另外一种干湿联合空气冷却器，从下向上依次布置水箱、进风百叶、光管管束、喷淋水管、翅片管管束及引风式风机。对光管管束，其换热管为碳钢时，需对换热管进行热浸锌防腐处理，以增加设备的使用寿命[27-31]。

1.引风式风机 2.介质进口 3.介质出口 4.喷淋管线 5.喷淋阀门 6.水泵 7.泵吸入口 8.进水(补水)口 9.排污口 10.进风口 11.光管管束 12.喷淋 13.U型弯头 14.翅片管束 15.出风口图4 表面蒸发空气冷却器结构简图

这种蒸发型空气冷却器具有较高的综合效益，在蒸发段，光管管束可以布置较多的换热管，使得这种空气冷却器的结构更为紧凑。管箱采用方箱丝堵式管箱，可以自由分配管程数，根据每管程的换热管数量计算其压力损失、流速是否符合要求，同时丝堵式管箱方便检修。在设计时还可以将喷淋管与下部的光管侧梁做成一体，以减少在运行过程中的水泄漏。

翅片管管束一般设计成一管程，翅片管的出口端即为光管管束的进口端，两者之间用U型接管连接，翅片管一般设计成4～6排管，这样翅片管还有1个捕雾器的作用(图4)。翅片管让自下而上的湿热空气，将水蒸气阻挡在设备内部继续循环，从而减少耗水量。

1.4 逆流复合型空气冷却器

1.4.1工作原理

2种逆流复合型空气冷却器结构组成见图5。

(a) 结构1 (b)结构21.翅片管束 2.介质进口 3.喷淋阀门 4.进水(补水)口 5.水泵 6.排污口 7.泵吸入口 8.喷淋管线 9.进风口 10.介质出口 11. 冷凝盘管 12.喷淋 13.U型弯头 14.引风式风机 15.出风口 16.捕雾器图5 逆流复合型空气冷却器结构组成

介质从上部进入冷凝盘管内，冷却水由循环水泵送至冷凝盘管上部的喷淋装置中，再由喷嘴将水均匀喷到冷凝盘管表面上形成水膜。盘管内的高温介质与盘管外的水和空气进行热交换，轴流风机强制空气以5～7 m/s的速度通过冷凝盘管，管内高温介质逐渐被冷却，管内介质冷却放热，管外喷淋水蒸发吸收热量，使部分喷淋冷却水变成水蒸气。水蒸气经过收水器(捕雾器)时，水分被回收，而湿空气则被排到设备外。同时在轴流风机的作用下，使冷凝盘管处形成负压，进一步强化了喷淋水的蒸发，提高了机组的换热效果。未蒸发的水在下落的过程中被空气冷却，并均匀下落到水槽中循环使用。进水阀自动补充水箱内的冷却水，使其保持一定的水位，保证正常循环的进行[32-33]。

以上2种逆流复合型空气冷却器工作原理相同，其下部的冷凝U型盘管均是一样的结构，只是根据进口温度的高低，在设计时考虑是否需要进行预冷却，使进入冷凝盘管的介质温度不大于80 ℃。图5a考虑介质进口温度较高工况，需先采用翅片管进行预冷却，翅片管采用低翅设计，不少于4排，同时翅片管可以起到捕雾器的作用。图5b则是介质进口温度在80 ℃左右工况，无需采用翅片管预冷却，介质直接进入冷凝盘管，上部设置捕雾器，可节约水资源。

1.4.2结构特点

复合型空气冷却器实际上是在表面蒸发空气冷却器的基础上改进得到的新型空气冷却器，主要结构特点将表面蒸发空气冷却器的方型管箱改为圆管管箱。工作时，由于水流向下沿换热管流动，而风在引风式风机作用下向上流动与在换热管外表面下降的水呈不同的方向(图6)，故称为逆流复合型空气冷却器。

图6 换热管外表面风与水逆向

只在介质进(出)口换热管汇总处设置圆形管箱，中间各管程的连接均为U型弯头。这样的设计极大减小了管箱的尺寸，同时克服了由于热胀冷缩引起的热膨胀量(图5a)。

管箱设置在管束的长度方向，换热管直端长度为2.7 m，1.5～2.0 m宽度排布换热管，从而形成模块化结构，每个模块制作完毕后整体进行478 ℃的热浸锌防腐处理。模块化结构的优点是，可根据换热量的不同，灵活增减模块数量，1～2模块设计1台引风式直联风机，每个模块外面用喷塑板包装，外观精美大方。水箱与喷淋共同使用，也可以在冷凝盘管上方再设计翅片管束进行介质的预冷却，资源被更好地最大化使用，翅片管束与冷凝盘管之间设置喷淋、除雾器，两者之间介质进出口用U型法兰连接(图5b)。

1.5 顺流复合型空气冷却器

1.5.1工作原理

顺流复合型空气冷却器结构组成见图7。工作时盘管内的热流体与盘管外的喷淋水和空气进行热交换，热流体温度被降低。引风式风机的超强风力使喷淋水完全覆盖在盘管表面上，促进了盘管内外流体的热交换过程，使换热效果显著增高。喷淋水和空气吸收热量后温度升高，部分水由液态变成水蒸气，蒸发潜热带走大量的热，热空气中的水被收水器(挡水板)截住收集到PVC填料热交换层中。填料对经过热交换的喷淋水进行二次冷却，温度降低，进入水槽中，循环水的温度可以降至湿球温度以下，再由循环水泵送入喷淋系统中，继续循环冷却。散失到空气中的水分由水位调节控制补充。设备的规格大小，可以根据负荷的大小，由不同的电机转速或不同的风机电机组合来控制[34-36]。

1.引风式风机 2.上脱水器 3.下脱水器 4.检修通道 5.水泵 6.水箱 7.PVC填料 8.喷淋阀门 9.进风口 10.空气过滤网 11.介质出口 12.冷凝盘管 13.介质进口 14.喷淋 15.出风口图7 顺流复合型空气冷却器结构简图

设备运行时，被冷却介质走换热盘管内，喷淋水系统将水箱内的冷却水喷淋到光管换热管上。轴流风机迅速将设备内部的高温饱和空气抽走，引入新鲜空气。填料热交换层对经过热交换的喷淋水进行二次冷却，收水器负责收集饱和空气中的小水珠。此过程可最大限度降低水的损耗，因此同样的换热面积条件下，顺流复合型空气冷却器的换热效果是其他湿式空气冷却器换热效果的1.5～3倍，故又被称为高效复合式空气冷却器。

1.5.2结构特点

顺流复合型空气冷却器由换热盘管、PVC喷淋系统、收水器、风机、填料交换层及支撑件等组成(图7)，其设计结构紧凑，换热面积小，内部空间较大，方便检修，喷淋系统在设备的最上方，而且裸露在外面，方便快速检修检查喷嘴和盘管，且通过填料可以使相同的换热面积达到更大的换热效果。

设备运行时，水流和风速是同一方向，均向下沿换热管外壁流动，极大增强了换热效果，且可以保持换热管外表面完全湿润。此外，同向流动(图8)可以减少因为风水逆向在换热管下面形成干点而结垢的可能。

图8 换热管外表面风与水同向

顺流复合型空气冷却器设计有收水器及填料，水的蒸发量较低，节能节水，使其操作费用随之降低。由于喷淋水与冷却风为顺流，从而改变了传热方式，这样极大降低了冷却水量及循环泵的功率，节约了能耗。顺流复合型空气冷却器可以模块化设计，设备制造、安装、检修、维护方便。由于有填料将循环水冷却到湿球温度以下，故可以使介质冷却温度更低，接近空气湿球温度。顺流复合型空气冷却器为模块化制作，其整体热浸锌防腐处理，使用寿命长。每个模块外表面护板为镀锌喷塑双重防腐，外形美观大方。盘管采用U型弯头，其为柔性结构设计，消除了热应力，运行更加安全可靠。可以运用变频等自动控制技术，工艺指标精确控制。

2 湿式空气冷却器设计要求

作为干式空气冷却器的补充设计，在设计湿式空气冷却器时，需充分考虑翅片管与光管之间的热负荷比例。湿式空气冷却器一般适用于介质进口温度80 ℃左右、出口温度接近环境温度的工况。水质对湿式空气冷却器有较大影响，水在80 ℃以上易结垢，因此当其工艺介质的进口温度在80 ℃以上时，需要先在湿式空气冷却器上方设计干式翅片管空气冷却器进行预冷却，让其进入湿式空气冷却器的介质温度在80 ℃以下，这样有利于最大限度地利用光管管束的蒸发量，让介质冷却效果最佳，而且不易造成换热管外表面结水垢，可保证湿式空气冷却器长期、高效、安全使用[4-7,37-39]。

湿式空气冷却器主要应用于干式空气冷却器不能满足使用条件的工况，即介质出口温度接近当地最热月的环境温度。湿式空气冷却器可以使空气在进入空气冷却器前经过喷淋水降温至接近当地湿球温度，从而达到换热的目的。

湿式空气冷却器是通过在运行过程中，利用水来降低环境温度，或通过循环水蒸发来达到冷却空气的目的。故在设计时，需充分考虑其结构的紧凑性和密封性，最大、最好地利用其水资源进行换热。对于设备改造、增加产量或由于空间限制不能布置更多的干式空气冷却器等具体情况，可以考虑设计湿式空气冷却器来弥补空间的局限性。

3 湿式空气冷却器制造要求

必须严格按照图样设计尺寸制作湿式空气冷却器，并将尺寸误差控制在允许范围之内。湿式空气冷却器的加工精度要求较高，而且要求整套湿式空气冷却器的密封性好、不允许漏水。对于水箱、喷淋水能接触到的连接部分，在工厂制作时，首先须全部实焊，不允许有焊接缺陷，以防止在运行过程中发生水泄漏。

在制作水箱百叶时，百叶内侧须加设不锈钢网，目数为30左右，同时还要在泵吸入口设置1个400 mm×400 mm的方形过滤装置，防止杂物进入循环泵损坏泵及堵塞喷头，同时保证四周有进水量的补给。

尺寸误差也需要严格控制。各部件之间的连接孔间距误差小于1.5 mm，外形尺寸误差小于2 mm，对角线误差小于4 mm。风机的风筒直径严格按图样设计要求加工，直径偏小会影响叶片的高速运转，直径偏大会影响风机的使用效果，有可能达不到风机风量的设计要求。

制造喷淋型蒸发空气冷却器时，必须在下侧梁靠内侧一面沿侧梁边部切割100 mm×20 mm的缺口，缺口间隔设为100 mm，缺口的设置应能使水顺利流入集水槽内，而且不会在侧梁内部积满溢出。还需在两端管箱的内侧焊接挡水板，以防循环水在运行中沿换热管向外流出。因为管束竖直放置，上下梁在压紧翅片管时必须完全压紧，以免翅片管发生坍塌。

制造表面蒸发空气冷却器时，其翅片管束、喷淋、光管管束的侧梁均由8 mm的钢板折弯而成，上下用侧梁折弯后的螺栓孔连接，端面用其挡风梁连接，水箱上沿采用140规格槽钢制造。这样侧梁、各连接部位孔允许误差就需小于2 mm，且平整度、直线度允许误差不得大于3 mm[12-13,32,37]。两者相连的部分垫上8 mm的橡胶板，并在橡胶板的上下表面涂上密封胶，以保证水在循环过程中不向外泄漏。

制造复合型空气冷却器时，在盘管制作完毕后，要求整体进行478 ℃的热浸锌防腐处理，外框架的尺寸要求更严格，其直线度、对角线误差均不得大于1.5 mm，以保证在外侧固定包装板时的准确性。在固定包装板时，需要在包装板之间、包装板与冷凝盘管框架接触面等部位加上40 mm×5 mm的密封胶带，以保证其运行过程中水不会泄漏。用M5带密封垫的自攻丝将其各个部分全部连接，自攻丝的间距必须小于150 mm。同时管位伸出包装板的空隙也是一个泄漏点，需在包装板内外表面设置加紧圆盘，两者之间还必须使用密封胶带，最后将加紧圆盘、密封胶带、包装板一起用螺栓M8上紧。

将水箱先固定在基础上，然后同基础一起用地脚螺栓固定。把盘管模块放置在水箱上，两者之间须加密封胶带，注意水箱的外沿与盘管框架外沿平齐，保持包装板露出外沿，待盘管就位之后再将水箱与盘管之间的包装板用M5的自攻丝固定。吊装盘管时，用支撑件钢丝绳进行吊装，以免钢丝绳损坏包装板。连接喷淋管线，将PVC喷淋管线连接好后，再用密封胶将其密封，最后将伞型喷淋头固定于喷淋支管上。接着安装捕雾器(收水器)、顺流复合型空气冷却器的填料，最后将风筒、风机用螺栓固定于最上端。

根据现场检修使用情况，可优化湿式空气冷却器结构。方形丝堵式管箱方便检修及堵漏，圆管型管箱可减少介质漏点[40-42]。

4 湿式空气冷却器安装使用要求

现场安装湿式空气冷却器时，要求先检查现场各部件、连接件、基础是否按照图样设计，零部件、标准件(水泵、阀门、螺栓、密封胶带、密封胶及垫片等)数量是否充足，规格是否齐全，是否按位号将各部件放置于合适的平台上。

安装时需注意泵、阀门的进、出口方向。若安装后发现湿式空气冷却器各部件有漏水的地方，需用钢结构密封胶将其密封。对于面积较大的泄漏，可以先用发泡胶或者其他合适材料填充，再用密封胶密封。总之，安装完毕后湿式空气冷却器不能出现漏水处，以减少运行过程中水资源的浪费及保证平台的干燥。

设备运行时，先开启喷淋系统，正常工作时的水压应稳定(0.3～0.5 MPa)，但环境变化及处理量波动时，可通过阀门进行相应的调节。补水阀(进水阀)应保持常开状态，应定期检查补水阀的浮球是否完好，每天检查水压与水质是否符合操作规定(表1)，同时注意水箱的水位必须高于泵吸入接管。冷却水在进入机动泵时应进行过滤，其杂质最大颗粒度应不大于1 mm。夏季应随时测定水箱的水温，应及时补充、置换水箱的水，控制喷淋水的水质检测值不大于设计值。

表1 喷淋水质指标

喷淋水运行正常后，再开启热流介质，调节并使其指标在设计值范围内，并随时监测热流介质的各项运行参数。

5 结语

湿式空气冷却器是一种节水型冷却系统，国内外专家经过大量的研究论证，已充分证明了其可行性和可靠性。在我国，尤其是北方地区，水资源紧缺已经成为制约经济发展的重要因素，湿式空气冷却器可以极大减少用水需求，节约能源，减少环境污染，具有良好的经济效益、社会效益和发展应用前景。本文可为湿式空气冷却器的选型提供依据和参考。