1.概述

目前，在炼油化工行业中普遍使用的空冷器为干式空冷器和湿式空冷器（包括增湿型和喷淋蒸发型）以及干湿联合空冷器。干式空冷器操作简单、使用方便；但其管内热流体出口温度取决于环境干球温度，一般以不低于55℃为宜，而且热流体出口温度与设计气温之差不得低于15℃，否则就不经济，所以它不能把管内热流体冷却到环境温度。此外使用干式空冷器时其热流体进口温度大部分从180℃左右下降到100～120℃，对于120℃左右的热流体大多采用了热能回收措施而并非采用干式空冷器；因此干式空冷器对低温位热流体的冷却无能为力，为了得到较低的热流体出口温度，必须为干式空冷器配后水冷器。增湿型湿式空冷器（见图8-10）的工作机理是在空冷器的工作过程中在空气入口处喷雾状水，使空冷器的入口空气增湿降温，增湿后的低温空气经过挡水板除去夹带的水滴，再横掠翅片管束，从而增大空气入口温度与热流体出口温度之间的差值来强化管外传热。喷淋蒸发型湿式空冷器（见图8-11），其工作机理是在空冷器（管束多为立放横排管）的工作过程中直接向翅片管上喷雾状水，借助于翅片管上少量水的蒸发和空气被增湿降温而强化管外传热，它也有增湿型湿式空冷器的优点，我国目前炼油化工厂使用的湿式空冷器大多属此型式。但是喷淋蒸发型湿式空冷器的管排数不宜过多，一般为2～4排，而且只有前两排翅片管的迎水面才能被喷上水，第二排管以后其传热没有强化或强化很少；同时由于翅片管的结构特点，翅片表面无法完全被湿润，翅片管表面水的成膜性很差，翅片管上蒸发的水量很少，水的蒸发效率很低，翅片根部易积水，易结垢，增加了热阻，所以仅靠翅片管上水的蒸发带走的热负荷很小（占总负荷的10％～20％），因此它主要还是靠增湿降温后空气的温升带走管内大部分热负荷。湿式空冷器仅适合于冷却进口温度低于75℃的热流体（当热介质进口温度高于80℃时，翅片管表面极易结垢），它可将热流体冷却到高于环境湿球温度5℃左右。同时由于湿式空冷器要求喷雾化水，因此其喷淋系统的喷嘴出水口很小，一般为0.5～1 mm，使用中极易堵塞，严重影响湿式空冷器的冷却效果。

综上所述，干式和湿式空冷器的工作机理决定了其冷却效果均受环境气温影响较大，气温波动，风、雨、日晒以及季节变化均会显著地影响其冷却性能，故其操作弹性差，在冬季还会引起管内介质冻结；由于空气侧换热系数低，其传热面积要大得多，因此必须采用翅片管，故其投资较高。

针对空冷器存在的上述问题，国外有关研究人员于20世纪60年代开始了综合空冷和水冷优点的新型冷却器——蒸发式冷却器的理论和试验研究。我国研究人员也于20世纪80年代开始了相应的研究开发工作。

表面蒸发型空冷式换热器（以下简称蒸发空冷）是一种比湿空冷和干空冷加后水冷性能更优越的新型冷却器，是国内外近年来着力开发的一种新型冷换设备，是空冷技术的发展方向。

国外研制出的蒸发空冷现已被广泛应用于压缩机中间冷却、透平夹套水冷却、润滑油冷却和其他无机物水溶液冷却，美国Brounder公司制造的蒸发空冷已用于许多大型硫酸厂。德国GEA公司、美国BAC公司和FES公司都在开发研制蒸发空冷，其产品主要用于制冷和空调系统。

我国在20世纪80年代初从国外引进的十几套石蜡成型装置均带有蒸发空冷，用于其制冷剂的冷凝冷却。由此国内开始了有关蒸发空冷的开发研制工作。其中兰州石油机械研究所于1992年为兰州炼油化工总厂设计制造了一台蒸发空冷，用于代替该厂第三套酮苯脱蜡装置制冷系统的立式水冷器（过热氨气冷凝器），测试数据表明这台蒸发空冷的冷却效果大大优于立式水冷器，使氨的出口温度接近环境湿球温度；随后兰州石油机械研究所于1994年为兰州炼油化工总厂105 t/年气分装置设计制造了两台蒸发空冷，用于代替该装置原有的湿空冷，其冷却性能优于原来的湿空冷。国内开发研制的蒸发空冷主要用于炼油化工行业。

图8-10　增湿型湿式空冷器

1—管束；2—热流体入口；3—空气入口；4—循环水泵；5—排水管；6—供水管；7—阀门；8—挡水板；9—热流体出口；10—热空气出口

图8-11　喷淋蒸发型湿式空冷器

1—管束；2—热流体入口；3—空气入口；4—循环水泵；5—排水管；6—供水管；7—阀门；8—热流体出口；9—热空气出口

2.蒸发空冷的工艺流程

蒸发空冷的工艺流程如图8-12所示。其工作过程是用管道泵将设备下部水箱中的循环冷却水输送到位于水平放置的光管管束上方的喷淋水分配器，由该分配器将冷却水向下喷淋到传热管外表而，使管外表面形成连续均匀的薄水膜。同时用引风式轴流风机将空气从设备下部空气吸入窗口吸入，使空气自下向上流动，横掠水平放置的光管管束。水一边从管壁吸收管内热流体释放的热量，一边又与穿过管束向上流动的空气接触，部分水蒸发进入空气中，其余的水逐渐放出其吸收的热量后恢复到其进口水温度，流到储水池中。此时传热管的管外换热除依靠水膜与空气流间的显热传递外，主要是依靠传热管外表面水膜的迅速蒸发来吸收管内的大部分热量，从而强化管外传热，使设备总体传热效率明显提高。传热管外表面水膜的蒸发使得空气穿过光管管束后湿度增加而接近饱和，引风式轴流风机将饱和湿空气从管束中抽出使其穿过位于喷淋水分配器上方的除雾器，除去饱和湿空气中夹带的水滴后从设备顶部风机出口处排入大气中。风机位于设备顶部向上抽吸空气，从而在风机下部空间形成负压区域，加速了传热管外表面水膜的蒸发，有利于强化管外传热。在蒸发空冷中，工艺介质走管内水平流动，空气、水走管外，空气由下向上流动，喷淋水由上往下流动，水、空气与工艺介质为交叉错流，水与空气为逆流，从冷热介质的流程布置上也强化了传热传质过程。为防止水和空气对传热管外表面的腐蚀，对传热管外表面进行防腐处理，且传热管采用光管。

图8-12　蒸发空冷的结构与工艺流程

在蒸发空冷中，喷淋水一边循环喷淋一边蒸发，则喷淋水中的盐类浓度逐步增大，达到一定程度会在管外壁上结垢，使设备传热性能下降，所以应将储水池中的水连续或定期排放出一部分，以把盐类浓度控制在产生污垢的界限以下。为此要给储水池中补充一定量的新鲜水以保持水中盐类浓度，防止管外结垢，并补偿蒸发的水量和排放的水。蒸发空冷的喷淋水应采用软化水。

蒸发空冷一般采用光管为传热管，如果采用翅片管，从理论上讲扩大了传热和传质表面，但这里用翅片管的优越性不如干空冷那么显著，其主要原因如下：翅片管表面无法完全被水湿润，翅片上水的成膜性很差，而且翅片间的积水也会削弱翅片的作用，并使热阻增加。

蒸发空冷一般适用于温度低于80℃的各种低温位工艺流体的冷却和冷凝。它可使工艺流体出口温度冷到接近环境湿球温度。如果工艺流体入口温度高于80℃，在管束入口段管壁温度过高，使管外表面水膜容易结垢，增加了传热传质阻力，会降低蒸发空冷的传热效率。为此，当工艺流体入口温度高于80℃时，将蒸发空冷中的除雾器用翅片管代替，使高温位热流体先流经翅片管束预冷到80℃以下，再进入光管管束进行冷却或冷凝，使翅片管管束起到冷却与除雾的双重作用，从而扩大了蒸发空冷的适用范围，并增加了传热面积。

3.蒸发空冷的优点

与干式和湿式空冷器相比，蒸发空冷有如下优点：

（1）传热效率高，冷却效果好，所需传热面积小，结构紧凑。(www.daowen.com)

因为蒸发空冷的管外传热是由管壁-水膜间的强制对流传热和水膜-空气间的直接接触蒸发传质传热两步完成，而水具有很高的汽化潜热，从而大大强化了管外表面的传热强度，其传热强度远远大于管壁-空气间的对流传热，使蒸发空冷的总体传热效率远远大于干空冷和湿空冷，所需传热面积小，结构紧凑，而且蒸发空冷可直接将管内热流体冷到较低温度（40℃以下），而不再需要后水冷器。在合理设计下可使管内热流体出口温度冷到接近环境湿球温度，故其冷却效果好，同时解决了干空冷为了获得较低冷却冷凝温度而必须配后水冷器的问题。

（2）能耗和水耗小，操作费用低。

因为在蒸发空冷中空气携带热量主要是靠增加携湿量带走水的蒸发潜热，而不是靠空气温升显热，从而所需风量远远小于干空冷和湿空冷。而且由于采用光管管束，空气穿过管束的压降小，风机能耗进一步降低；同时光管外表面水的成膜性好，水的汽化潜热很高，在合理设计下，可达到较好的蒸发冷却效果，水耗很低；与干空冷加后水冷相比，它又省去了后水冷器，故其操作费用很低。

（3）投资费用低，占地面积小。

从结构上看，蒸发空冷的最大特点是将冷却塔和列管式水冷器合为一体，从而省去了单独的循环水冷却系统，使一次性投资大大降低，减少了设备占地面积，而且由于蒸发空冷的传热管为光管，设备造价进一步降低。

（4）操作弹性大，可操作性好。

因为蒸发空冷主要是靠管外水膜的蒸发而不是靠空气温升来带走管内的大部分热量，所以蒸发空冷对空气入口温度不敏感；管内热流体将其热量通过管壁传递给水膜，提高了水膜的温度，同时引风式风机在管束中形成负压，从而增大了管外水膜的蒸发效率，所以它对空气入口湿度也不敏感。因此环境气温、湿度的波动以及季节变化对蒸发空冷的冷却效果影响较小，故蒸发空冷的操作弹性大，适用地区广，可操作性好。

4.蒸发空冷的典型结构形式

国内企业开发研制的蒸发空冷的典型结构如图8-13所示。它主要由以下部件组成：位于设备顶部的引风式风机；位于风机下方的除雾器；位于除雾器下方的喷淋水分配器；位于喷淋水分配器下方的光管管束；位于光管管束下方的构架与水箱；喷淋水输送管线与管道泵。

图8-13　国内蒸发空冷典型结构示意图

上述前五个部件之间均采用翻边法兰螺栓连接，各连接面之间均采用橡胶板和密封胶进行密封，以防漏风、漏水。

与国外研发的蒸发空冷相比，国内企业研发的蒸发空冷主要存在以下问题：

（1）除雾器由许多等间距布置的波形板组成，其除雾效果差（在安装中无法确保波形板均为等间距布置），水耗、能耗大，而且制造、安装、维护均不方便；

（2）喷淋水分配器是固定的，在设备运行中无法清洗，喷淋水管线一般为碳钢管，易生锈，而且喷嘴安装在喷淋支管的下部，喷淋水中的泥沙等杂质易聚积在水管底部，易堵塞喷嘴，一旦喷淋水分配器的喷嘴被堵塞，传热管外表面无法完全被湿润，则设备冷却能力大大下降，势必造成设备停车检修。

（3）只有一条喷淋水输送管线和一台管道泵，一旦该泵出现故障，设备的冷却效果会很差，会造成设备停车检修。

由以上比较可知，国外企业研发的蒸发空冷优势明显。

5.蒸发空冷的适用范围与场合

蒸发空冷是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体，且兼有二者之长的新型节能、节水型高效冷凝冷却设备。它具有传热效率高、投资省、操作费用低、结构紧凑、占地面积小、安装维护方便而且维护费用低、操作稳定可靠等优点，适用于炼油和化工行业中各种塔顶油气的冷凝冷却、油品的冷却、压缩机级间冷却，也适用于电力、冶金、制冷等行业中的冷却水、蒸汽、制冷剂及其他工艺流体的闭路循环冷却，尤其对80℃以下的低温位介质的冷凝、冷却具有其他冷却设备难以匹敌的优点。