第一節(jié) 空壓機冷卻器市場基本生產(chǎn)技術、工藝或流程

一、空壓機中間冷卻器的適用范圍和設計參數(shù)確定

為了更深入的理解中間冷卻器的多樣性和復雜性，了解其適用范圍、特征和重要參數(shù)的取值依據(jù)是非常必要的。下面是據(jù)此歸納的特性表。

中間冷卻器技術特性

從上表中可以看出，溫度范圍、允許壓力損失、污垢系數(shù)三項指標數(shù)值變化較小，而空氣的流量范圍、壓力范圍、相對濕度三項指標變化范圍較大。熱負荷（換熱量）的大小是決定換熱器面積的主要因素，而上述三項指標的大范圍工況跨度決定了熱負荷（換熱量）的差異很大，在中間冷卻器幾何外形上的反映尤為直觀，下表可見一般。

中間冷卻器特征

溫度變化范圍和允許壓力損失范圍從數(shù)值上看波動范圍小，但這兩項指標恰恰是中冷器必須嚴格遵循指標，是保證壓縮機在性能曲線上運行的前提。在國外的中冷器技術協(xié)議中，經(jīng)常見到諸如：出口溫度升高一度，壓力損失超過一毫巴.扣除貨款x%的附加條款，可見這兩項指標對整個機組的重要程度。相對濕度是當時當?shù)卮髿獾南鄬穸龋S著季節(jié)和天氣的變化而變化，進入壓縮機經(jīng)過一段壓縮和冷卻后，飽和分壓達到100%，過飽和部分冷凝析出。以出口壓力1MPa的空壓機為例，占75%的水蒸氣在中冷器內(nèi)被冷凝排出，所以中間冷卻器的設計中要增設冷凝水的分離排放系統(tǒng)。

污垢系數(shù)在整個中冷器運行中是一個逐漸增大的數(shù)值，它的存在對有效換熱是一種阻礙（也稱熱阻），在設計中應予以重視，通常污垢系數(shù)的取值是在最惡劣工況下且滿足中冷器使用的極限值，在充分考慮空氣環(huán)境，檢修周期，水質(zhì)條件的前提下，由用戶和設計方共同確認，保證中冷器和真實工況的吻合，實現(xiàn)中冷器效益的最大化。

二、中間冷卻器的結(jié)構形式與適用場合

中間冷卻器的核心元件是換熱管，在中冷器中，換熱管有以下幾種形式：光管，翅片管。

1、光管—中間冷卻器

光管制成的中間冷卻器主要是GB151中定義的換熱器形式，即：固定管板式；浮頭式；U型管式；填料函式。

換熱管規(guī)格為φ25；φ20；φ19；φ16。材質(zhì)為：20#；不銹鋼；銅及銅合金。

在流量小于30000NM3/h；進氣壓力小于1.6MPa；機組為雙層布置；對壓力損失要求不嚴格；機組作為動力站使用時，可采用固定管板式、浮頭式中冷器，殼程走高溫空氣，管內(nèi)走冷卻水。這兩種換熱器浮頭式優(yōu)于固定管板式，因為浮頭式結(jié)構可消除溫差應力，管束可更換，缺點是成本高于固定管板式換熱器。

在流量小于30000NM3/h；進氣壓力大于4.0MPa，對壓力損失要求嚴格，可采用*型管式、填料函式中冷器，管內(nèi)走高溫空氣，殼程走冷卻水。在相同殼徑下，U型管式為兩程，而填料函式為單程，所以填料函式中冷器的損失小于U型管式結(jié)構，而制造成本則相反，在設計中可視損失要求而定。

在中冷器后單獨配備分離器實現(xiàn)對冷凝水的分離排除?？傮w而言，光管形式的中間冷卻器設備大，壓力損失大，單位體積換熱面積小，換熱效率低，一般用在非重要的場合，不作為中間冷卻器的首選形式，但因其成本低，維護簡單，使用壽命長，制造工藝成熟，還有一定的應用領域，特別是U型管式、填料函式中冷器在空氣壓力較高的場合，是其他形式的換熱器無法替代的。

2、翅片管—中間冷卻器

在中間冷卻器的全流量范圍內(nèi)，進氣壓力小于7MPa；對壓力損失控制嚴格；要求中間冷卻器體積小，結(jié)構緊湊，換熱效率高，冷卻水耗量小的場合，可采用翅片管—中間冷卻器。同時，各種翅片管形成的換熱器，有其各自的特點。

翅片管分為：板翅、繞翅、復合翅片管、內(nèi)翅片管等幾種形式。中間冷卻器通常由殼體，管束，前、后蓋，內(nèi)置式分離器組成。殼側(cè)（即翅片側(cè)）走高溫氣體，管內(nèi)走冷卻水。管束由翅片管和管板組成，是完成換熱的場所，此類中間冷卻器的設計，就是圍繞管束的設計展開的。

在氣—水換熱中，氣側(cè)的傳熱系數(shù)與水側(cè)的傳熱系數(shù)相差至少一個數(shù)量級，強化氣側(cè)傳熱系數(shù)，是增大總傳熱系數(shù)，提高換熱效率的關鍵，翅片管的翅化比（單位長度的翅片管面積與光管外表面積之比）通常在12以上，這大大彌補了氣側(cè)傳熱的先天不足，是光管換熱器望塵末及的。氣體在翅片間的流通面積大、流程短，壓力損失小。

管材規(guī)格：φ19；φ18；φ16；φ12。材料：20#；不銹鋼；銅及銅合金。翅片厚度：0.15-0.4mm。材料：AI，T2。換熱管與翅片連接方式：脹接；釬焊，擠壓復合。

板翅管是由一張張矩形的板片與換熱管脹接成一個單元換熱管，再由單元組成管束。板片先經(jīng)沖壓成形，按等邊三角形或轉(zhuǎn)角正方形沖出管孔，將換熱管穿入孔中，管內(nèi)打彈脹接成形。如在板翅上再開些溝槽，強化流經(jīng)氣體的湍流程度，換熱效果會更好。板翅和換熱管材料：Cu，AI。該類型管束適用于流量小，氣速低，氣壓低，氣流穩(wěn)定的場合，它的換熱性能較好，但強度低，抗振動能力差，脹接不好板翅與換熱管易脫落。由于制造工藝限制，管束不能做大。

釬焊翅片管也叫繞片管，是用銅帶纏繞在銅或銅合金換熱管上，再用錫焊固定而成。翅片管外觀質(zhì)量好，片厚勻均，換熱管截面有圓型和橢圓型兩種，成型過程中對換熱管沒有機械損傷。該類型翅片管制成的管束，適合于全流量范圍，但最高氣溫應小于130攝氏度，換熱管與管板的連接不宜采用焊接結(jié)構。

復合翅片管是近幾年來大量使用的換熱管材料，它是在基管外套一厚壁鋁管，通過專用軋輥，將鋁管扎制成規(guī)定高度的翅片，同時，翅片根部殘留的鋁管部分被牢牢地擠壓扎緊在基管上，不看翅片管斷面，很難想象是兩種材料復合而成的翅片管。翅片是鋁（AI），基管可以是20#、不銹鋼、銅及銅合金。翅片間距和翅片厚度通過調(diào)整軋輥間隙極易實現(xiàn)，設計的自由度大為增強。軋制的過程也是鋁翅片冷作硬化的過程，加之后續(xù)的堿洗，烘干，翅片表面形成氧化膜，起到了防腐的作用。這種翅片管的整體性好，堅固耐用，適用范圍廣，換熱效果也很理想，在一些重要項目，重大產(chǎn)品上多采用此類翅片管做中間冷卻器，效果很好。

內(nèi)翅片管是一種新型的換熱管結(jié)構，它主要作為小流量，組裝式離心壓縮機配置的中間冷卻器和出口冷卻器。換熱管與翅片為銅材，翅片夾裝在換熱管內(nèi)，制成管束后，組裝在壓縮機級間管路內(nèi)，管內(nèi)走高溫氣體，管外走冷卻水，翅片管長度1米左右。這種中間冷卻器換熱效率很高，壓力損失很小。

上述中間冷卻器的出口側(cè)，都加裝分離器，分離冷凝水，匯集到設備底部由疏水器排出。

翅片管式中間冷卻器在離心空壓機中大量應用，它的結(jié)構緊湊，低耗高效是其被選中的主要原因，但它組成管束的抗振動能力和翅片強度在設計中要充分考慮；翅片間的間距小，流道窄，易殘留結(jié)垢，對氣流的純潔度應與限定。

第二節(jié) 空壓機冷卻器市場新技術研發(fā)、應用情況

壓縮機冷卻器對于壓縮機組的經(jīng)濟和可靠運行具有十分重要的意義。同時，對于換熱設備可以這樣理解：工藝設計在換熱設備中占有主導地位，機械設計是為了保證實現(xiàn)工藝計算中的傳熱和壓降的一種手段，因此壓縮機冷卻器的工藝計算十分關鍵。

20世紀70年代以前，我國換熱器的工藝計算往往限于自編程序和手工計算，在這之后，國內(nèi)一些設計院所開始直接采用國際先進的傳熱軟件進行工藝設計，但在壓縮機 行業(yè) 推廣則并不普遍。目前，國際通用的傳熱計算軟件主要有：

(a)HTRI(HeatTransferResearch.Inc.)美國傳熱公司，采用會員制，只要交會費，會員便可以獲得全部工藝設計資料及軟件，還可參加其組織的會議及學術交流活動。

(b)HTFS(HeatTransferandFluidFlowservice)英國傳熱與流動服務中心，采用了更為靈活的辦法，既可是會員，也可單獨購買其軟件。

上述兩家公司的軟件，用作投標文件時，是被廣泛認可的。

實例

本文參考的設計實例是適用于石化煉油領域所需的大型往復式新氫壓縮機組中的一級冷卻器。

冷卻器的設計輸入及初步結(jié)構確定

該冷卻器原始數(shù)據(jù)為：標態(tài)流量30300Nm3/h，進氣溫度40℃，氣體成分：氫氣，相對濕度1.0;壓縮氣體由110℃冷卻至40℃，要求壓降小于0.015MPa;冷卻水溫度由30℃升至38℃，允許最大壓降0.05MPa;氣/水側(cè)污垢系數(shù)：0.0002/0.0008m2•h•℃/kcal;冷卻器中氣體壓力4.2MPaA。

初選換熱器換熱面積85m2(含45%裕量，用戶要求)，結(jié)構簡圖如圖1所示。該冷卻器為U形管式冷卻器，氣走殼程，水走管程。冷卻器主要結(jié)構尺寸如表1所示。

根據(jù)已知設計參數(shù)進行冷卻器的工藝校核(Rating)計算

將各項工藝參數(shù)和結(jié)構參數(shù)輸入程序

輸入內(nèi)容包括以下幾項：

本實例輸入?yún)R總?cè)鐖D2所示：

在輸入?yún)?shù)的過程中應注意以下幾點：

1、在工藝參數(shù)中工藝介質(zhì)物性參數(shù)的輸入非常重要：對于該實例單一介質(zhì)可以從軟件數(shù)據(jù)庫中選取，但對于壓縮機冷卻器來說，許多情況下介質(zhì)的組成為混合物，從數(shù)據(jù)庫中難以選擇合適的物質(zhì)作為工藝介質(zhì)，這時可選擇“用戶自定義組成”，需要為其輸入以下關鍵工藝參數(shù)：工藝介質(zhì)的臨界溫度、臨界壓力、平均潛熱、操作溫度下的氣、液相密度、粘度、比熱、傳熱系數(shù)等。除了可利用APSEN程序選擇合適的狀態(tài)方程模擬得到該混合物的物性參數(shù)外，最可靠的方法還是要通過文獻或?qū)＠痰墓に嚢募@得;

2、在輸入工藝參數(shù)中，多級壓縮機前幾級應考慮飽和水蒸汽冷卻和部分冷凝的影響。這部分不同于常規(guī)的換熱器計算，往往經(jīng)常被忽略，造成計算冷卻面積不夠;

3、結(jié)構參數(shù)的輸入中應注意：國家標準GB151《管殼式換熱器》對換熱器結(jié)構尺寸作了明確規(guī)定，但一般國際通用商務傳熱軟件都是根據(jù)TEMA等國外標準來設計換熱器的，兩者有一定的區(qū)別。因此，應在軟件程序中找到GB15關于換熱器每一項結(jié)構尺寸規(guī)定的對話框，按照GB151的要求輸入這些數(shù)值，比如布管圓到換熱器殼側(cè)內(nèi)壁的間距、防沖擋板距殼側(cè)進口的距離等，方可設計出符合國家標準的換熱器。

調(diào)整參數(shù)

完成參數(shù)輸入后，運行軟件，程序會給出計算報告。根據(jù)報告的提示需要對以下控制參數(shù)重點關注并做出相應調(diào)整，修改參數(shù)重新運行，以得出合理結(jié)果：

1、換熱面積、設計裕量、總傳熱系數(shù)、校正溫差等參數(shù)符合要求;

2、氣側(cè)、水側(cè)流速與雷諾數(shù)在合理的范圍內(nèi);

3、壓降符合設定要求;

4、流路 分析 中，有效流所占比例合理;

5、無管束振動、聲振動;不會因卡門漩渦、紊流抖動、流體彈性不穩(wěn)定等原因產(chǎn)生流體誘導振動等。

實例計算報告如圖3，布管圖如圖4，三維效果圖如圖5所示。

計算結(jié)果 分析

圖3為上述實例的計算報告，在計算報告信息欄中，沒有給出任何異常信息，并指明冷卻器運行穩(wěn)定，對比各控制參數(shù)符合良好。從使用單位反饋的意見中也證明該臺冷卻器在實際生產(chǎn)過程中滿足設計要求，運行良好。

應用國際通用商務軟件進行壓縮機冷卻器的工藝計算，能夠做到：

(1)準確計算出所需的換熱面積和設計裕量;

(2)準確 分析 出工藝流體在換熱器管內(nèi)的物理變化過程;

(3)計算真實的循環(huán)量和氣化率;

(4)準確計算出管、殼程介質(zhì)的阻力損失;

(5)在運算信息欄中給出冷卻器運行的各種報告，包括振動報告，穩(wěn)定運行報告以及流體流速和流型報告，易于實現(xiàn)冷卻器的優(yōu)化設計。

因此，該方法在壓縮機冷卻器工藝計算領域具有很強的實用性和推廣價值。

第三節(jié) 空壓機冷卻器市場國外技術發(fā)展現(xiàn)狀

翅片管是空冷器用以傳熱的關鍵部件，它的好壞直接影響傳熱效率。美國的赫德森公司和法國的克魯索-魯瓦爾公司都不主張在濕式空冷器上使用單L型翅片管。認為直接噴水會加劇翅片和基管的電化學腐蝕程度，導致熱阻增加，傳熱效率下降，空冷器壽命縮短。

目前，國外空冷器技術 研究 主要集中在電站空冷器上，技術主要被美國SPX和德國GEA公司所掌握。

第四節(jié) 空壓機冷卻器市場技術開發(fā)熱點、難點 分析

空壓機冷卻水溫和水量一樣對冷卻效果有重要影響，但并不是冷卻水溫越低越好，水溫應保持在適當?shù)姆秶鷥?nèi):

對于中間冷卻器，內(nèi)部水溫不應超過40℃，否則，容易在冷卻器的內(nèi)壁上結(jié)有水垢。因此，冷卻器入口處水溫應在20℃～30℃，進出口水溫之差保持在15℃～20℃為宜。

對于氣缸冷卻，冷卻水溫過低則壓縮機在膨脹時缸內(nèi)空氣中的水分凝結(jié)，在壓縮時容易導致水擊；水溫過高冷卻效果不明顯。一般情況下，氣缸冷卻的進水溫度須在30℃以上。

綜合上述兩種冷卻形式，對壓縮機可采取混聯(lián)式冷卻，圖所示。采用該形式冷卻，冷卻水先流過中間冷卻器，冷卻管線內(nèi)氣體再分別流向高低壓氣缸冷卻水套及氣缸。這樣可充分利用冷卻水而又不會對設備造成隱患。

壓縮機混聯(lián)式冷卻示意圖

空壓機工作時氣體的工作過程比較復雜。如何及時有效地釋放壓縮中產(chǎn)生的熱量，對提高空壓機的工作效率、節(jié)約能量均具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)空壓機的冷卻技術尚需深入 研究 及開發(fā),從而保證空壓機可靠、高效地運行。

第五節(jié) 空壓機冷卻器市場未來技術發(fā)展趨勢

采用空氣冷卻器可節(jié)省大量工業(yè)用水，減少污染，保護環(huán)境，降低基建費用。目前，研制低接觸熱阻和高傳熱效能的翅片管、低電耗、低噪聲是冷卻器發(fā)展的關鍵。

另外，企業(yè)為了更好的生產(chǎn)與發(fā)展，龍頭企業(yè)將 研究 重點集中在高端空壓機冷卻器的設計、 技術工藝 以及生產(chǎn)制造上。

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