[關鍵詞]噴霧增濕；空冷器；優化設計；能效；緊湊度
一般來說，當介質低於120℃時，回收其熱量代價比較昂貴。為了降低回收成本，高效完成大量低溫介質殘餘熱量冷卻工作，空冷器作為一種節約能源、減少工業水污染、投資經濟性高的熱交換設備已廣泛應用於石油化工行業。對比翅片管式干空冷器的不足，如占地面積大、易受現場環境及夏季高溫影響出現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、適應性強、使用範圍廣等諸多優點[1,2]。
1空冷器簡介
空冷器是以空氣為冷介質，冷卻管內為熱介質的換熱設備。按冷卻方式可分為：乾式空冷器、濕式空冷器、乾濕聯合空冷器，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熱介質冷卻到高於環境溫度20℃，濕空冷可以把介質冷卻到高於環境溫度3~5℃，乾濕聯合型可以把介質冷卻到接近或低於環境溫度。不同類型空冷器結構和應用場合不同。干空冷器、噴霧增濕空冷器管內介質一般為單相介質冷卻；噴水增濕空冷器、乾濕聯合空冷器一般管內為氣液兩相介質冷凝冷卻。干空冷器、噴霧增濕空冷器主要靠空氣升溫顯熱冷卻管內介質，而噴水增濕空冷器、乾濕聯合空冷器主要靠傳熱元件表面水膜蒸發潛熱冷卻管內介質。本文以新建大型空冷器項目為例，從傳熱性能、產品投資、應用消耗等方面對比普通翅片管式干空冷器，詳細闡述噴霧增濕空冷器計算原理及特點。
2噴霧增濕系統設計原理及結構特點
2.1設計原理
噴霧增濕系統設計原理利用大氣環境幹球溫度高於濕球溫度特點，通過高壓水泵及霧化噴頭，將常溫常壓液態水細化成大量微小粒徑的霧化液滴，這些霧化液滴在風機壓頭作用下順勢融入到空冷器迎風面周圍空氣中，從而增加空氣相對濕度，使空氣幹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，達到節省換熱面積提高設備緊湊度，節省占地面積減少設備投資的目的[3~6]。
2.2設計條件
當地海拔1000m、相對濕度45%、最熱月平均溫度30℃，空冷器各項參數如表1所示。由表1可知，該工位空冷器具有以下特點：(1)熱負荷、介質流量大；(2)介質出口溫度低（接近夏季大氣環境極端溫度）；(3)換熱面積大、占地面積大。
2.3噴霧系統設計
空冷器噴霧系統設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風機風量及噴霧後空氣含濕量差值計算總耗水量（泵的流量），噴頭一般選取噴出霧化顆粒在60-100um的霧化噴頭；高壓水泵根據噴頭霧化要求一般選取出口壓力為80bar的柱塞泵；噴霧採用除鹽水，管線設有過濾器凈化除鹽水。根據設計條件，設定當環境溫度超過30℃時開始噴霧，夏季極端溫度按40℃計算，計算出當環境大氣溫度從31~40℃時噴水總耗水量如表2所示[7]。由表2可知，當環境溫度40℃時，將其冷卻至30℃時耗水量最大，所以噴霧增濕系統最大耗水量為14.84m3/h。根據耗水量及揚程水泵電機選用37kW電機。噴霧系統工藝流程圖如圖1。由圖1可以看出，整套系統包含3台水泵（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面。為保證良好的噴霧效果，一方面應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，另一方面要適當調整噴頭與最後一排換熱管的間距，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濟性對比
在干空冷設計中，一般按保證每年不超過5天的最高氣溫或按當地最熱月的日最高氣溫的平均值增加3~5℃作為空氣入口設計溫度；噴霧增濕空冷器，一般按當地最熱月極端溫度與相對濕度，查表得出相應濕球溫度作為空氣入口設計溫度。將本項目干空冷器與噴霧增濕空冷器兩組方案各參數對比於表3。從表3可知，干空冷器空氣入口設計溫度較高，並且當設備熱負荷相同時，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。按照設備使用壽命20年、每年8400工作小時（夏季噴霧360小時）、工業用電收費0.7元/kWh、除鹽水7元/t計算，對比干空冷器與噴霧增濕空冷器投資及運行總費用，見表4。從表4可以看出，從長期運行能耗角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節省費用81.39萬元，提高能效30.5%，從總費用、占地經濟角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節省費用581.39萬元，節省投資26.8%。
4結論
本文以某公司新建大型空冷器項目為例，詳細闡述了根據項目所在地相對濕度低、夏季溫度高、日照時間長、介質處理量大、介質出口溫度低等特點，優化設計的噴霧增濕系統。並且通過干空冷器與噴霧增濕空冷器的對比，從換熱性及經濟性兩方面分析得出，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、結構簡單、性價比高、製造方便等諸多優點。當周圍出現熱風循環或夏季極端高溫時，環境溫度過高導致干空冷器的換熱能力下降，從而裝置降低負荷運行。針對這些工況，噴霧增濕空冷器可根據現場實際情況，調節起噴溫度達到降低空氣溫度，保證空冷器在各種工作環境下良好運行。噴霧增濕空冷系統在大型石化空冷項目中具有很高推廣價值。
作者：張斯亮 陳韶范 馬金偉 張向南 楊磊傑 齊興 梅光旭 單位：上海藍濱石化設備有限責任公司
一般來說，當介質低於120℃時，回收其熱量代價比較昂貴。為了降低回收成本，高效完成大量低溫介質殘餘熱量冷卻工作，空冷器作為一種節約能源、減少工業水污染、投資經濟性高的熱交換設備已廣泛應用於石油化工行業。對比翅片管式干空冷器的不足，如占地面積大、易受現場環境及夏季高溫影響出現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、適應性強、使用範圍廣等諸多優點[1,2]。
1空冷器簡介
空冷器是以空氣為冷介質，冷卻管內為熱介質的換熱設備。按冷卻方式可分為：乾式空冷器、濕式空冷器、乾濕聯合空冷器，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熱介質冷卻到高於環境溫度20℃，濕空冷可以把介質冷卻到高於環境溫度3~5℃，乾濕聯合型可以把介質冷卻到接近或低於環境溫度。不同類型空冷器結構和應用場合不同。干空冷器、噴霧增濕空冷器管內介質一般為單相介質冷卻；噴水增濕空冷器、乾濕聯合空冷器一般管內為氣液兩相介質冷凝冷卻。干空冷器、噴霧增濕空冷器主要靠空氣升溫顯熱冷卻管內介質，而噴水增濕空冷器、乾濕聯合空冷器主要靠傳熱元件表面水膜蒸發潛熱冷卻管內介質。本文以新建大型空冷器項目為例，從傳熱性能、產品投資、應用消耗等方面對比普通翅片管式干空冷器，詳細闡述噴霧增濕空冷器計算原理及特點。
2噴霧增濕系統設計原理及結構特點
2.1設計原理
噴霧增濕系統設計原理利用大氣環境幹球溫度高於濕球溫度特點，通過高壓水泵及霧化噴頭，將常溫常壓液態水細化成大量微小粒徑的霧化液滴，這些霧化液滴在風機壓頭作用下順勢融入到空冷器迎風面周圍空氣中，從而增加空氣相對濕度，使空氣幹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，達到節省換熱面積提高設備緊湊度，節省占地面積減少設備投資的目的[3~6]。
2.2設計條件
當地海拔1000m、相對濕度45%、最熱月平均溫度30℃，空冷器各項參數如表1所示。由表1可知，該工位空冷器具有以下特點：(1)熱負荷、介質流量大；(2)介質出口溫度低（接近夏季大氣環境極端溫度）；(3)換熱面積大、占地面積大。
2.3噴霧系統設計
空冷器噴霧系統設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風機風量及噴霧後空氣含濕量差值計算總耗水量（泵的流量），噴頭一般選取噴出霧化顆粒在60-100um的霧化噴頭；高壓水泵根據噴頭霧化要求一般選取出口壓力為80bar的柱塞泵；噴霧採用除鹽水，管線設有過濾器凈化除鹽水。根據設計條件，設定當環境溫度超過30℃時開始噴霧，夏季極端溫度按40℃計算，計算出當環境大氣溫度從31~40℃時噴水總耗水量如表2所示[7]。由表2可知，當環境溫度40℃時，將其冷卻至30℃時耗水量最大，所以噴霧增濕系統最大耗水量為14.84m3/h。根據耗水量及揚程水泵電機選用37kW電機。噴霧系統工藝流程圖如圖1。由圖1可以看出，整套系統包含3台水泵（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面。為保證良好的噴霧效果，一方面應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，另一方面要適當調整噴頭與最後一排換熱管的間距，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濟性對比
在干空冷設計中，一般按保證每年不超過5天的最高氣溫或按當地最熱月的日最高氣溫的平均值增加3~5℃作為空氣入口設計溫度；噴霧增濕空冷器，一般按當地最熱月極端溫度與相對濕度，查表得出相應濕球溫度作為空氣入口設計溫度。將本項目干空冷器與噴霧增濕空冷器兩組方案各參數對比於表3。從表3可知，干空冷器空氣入口設計溫度較高，並且當設備熱負荷相同時，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。按照設備使用壽命20年、每年8400工作小時（夏季噴霧360小時）、工業用電收費0.7元/kWh、除鹽水7元/t計算，對比干空冷器與噴霧增濕空冷器投資及運行總費用，見表4。從表4可以看出，從長期運行能耗角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節省費用81.39萬元，提高能效30.5%，從總費用、占地經濟角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節省費用581.39萬元，節省投資26.8%。
4結論
本文以某公司新建大型空冷器項目為例，詳細闡述了根據項目所在地相對濕度低、夏季溫度高、日照時間長、介質處理量大、介質出口溫度低等特點，優化設計的噴霧增濕系統。並且通過干空冷器與噴霧增濕空冷器的對比，從換熱性及經濟性兩方面分析得出，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、結構簡單、性價比高、製造方便等諸多優點。當周圍出現熱風循環或夏季極端高溫時，環境溫度過高導致干空冷器的換熱能力下降，從而裝置降低負荷運行。針對這些工況，噴霧增濕空冷器可根據現場實際情況，調節起噴溫度達到降低空氣溫度，保證空冷器在各種工作環境下良好運行。噴霧增濕空冷系統在大型石化空冷項目中具有很高推廣價值。
作者：張斯亮 陳韶范 馬金偉 張向南 楊磊傑 齊興 梅光旭 單位：上海藍濱石化設備有限責任公司
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