第一節(jié) 空壓機(jī)冷卻器市場(chǎng)基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

一、空壓機(jī)中間冷卻器的適用范圍和設(shè)計(jì)參數(shù)確定

為了更深入的理解中間冷卻器的多樣性和復(fù)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(shù)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(xiàng)指標(biāo)數(shù)值變化較小，而空氣的流量范圍、壓力范圍、相對(duì)濕度三項(xiàng)指標(biāo)變化范圍較大。熱負(fù)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(xiàng)指標(biāo)的大范圍工況跨度決定了熱負(fù)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(jiàn)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(dòng)范圍小，但這兩項(xiàng)指標(biāo)恰恰是中冷器必須嚴(yán)格遵循指標(biāo)，是保證壓縮機(jī)在性能曲線(xiàn)上運(yùn)行的前提。在國(guó)外的中冷器技術(shù)協(xié)議中，經(jīng)常見(jiàn)到諸如：出口溫度升高一度，壓力損失超過(guò)一毫巴.扣除貨款x%的附加條款，可見(jiàn)這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)整個(gè)機(jī)組的重要程度。相對(duì)濕度是當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿獾南鄬?duì)濕度，隨著季節(jié)和天氣的變化而變化，進(jìn)入壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)一段壓縮和冷卻后，飽和分壓達(dá)到100%，過(guò)飽和部分冷凝析出。以出口壓力1MPa的空壓機(jī)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(shè)計(jì)中要增設(shè)冷凝水的分離排放系統(tǒng)。

污垢系數(shù)在整個(gè)中冷器運(yùn)行中是一個(gè)逐漸增大的數(shù)值，它的存在對(duì)有效換熱是一種阻礙（也稱(chēng)熱阻），在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視，通常污垢系數(shù)的取值是在最?lèi)毫庸r下且滿(mǎn)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(hù)和設(shè)計(jì)方共同確認(rèn)，保證中冷器和真實(shí)工況的吻合，實(shí)現(xiàn)中冷器效益的最大化。

二、中間冷卻器的結(jié)構(gòu)形式與適用場(chǎng)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(jìn)氣壓力小于1.6MPa；機(jī)組為雙層布置；對(duì)壓力損失要求不嚴(yán)格；機(jī)組作為動(dòng)力站使用時(shí)，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?yàn)楦☆^式結(jié)構(gòu)可消除溫差應(yīng)力，管束可更換，缺點(diǎn)是成本高于固定管板式換熱器。

在流量小于30000NM3/h；進(jìn)氣壓力大于4.0MPa，對(duì)壓力損失要求嚴(yán)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(gòu)，而制造成本則相反，在設(shè)計(jì)中可視損失要求而定。

在中冷器后單獨(dú)配備分離器實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凝水的分離排除?？傮w而言，光管形式的中間冷卻器設(shè)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(chǎng)合，不作為中間冷卻器的首選形式，但因其成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，制造工藝成熟，還有一定的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是U型管式、填料函式中冷器在空氣壓力較高的場(chǎng)合，是其他形式的換熱器無(wú)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(jìn)氣壓力小于7MPa；對(duì)壓力損失控制嚴(yán)格；要求中間冷卻器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，冷卻水耗量小的場(chǎng)合，可采用翅片管—中間冷卻器。同時(shí)，各種翅片管形成的換熱器，有其各自的特點(diǎn)。

翅片管分為：板翅、繞翅、復(fù)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(chǎng)所，此類(lèi)中間冷卻器的設(shè)計(jì)，就是圍繞管束的設(shè)計(jì)展開(kāi)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(gè)數(shù)量級(jí)，強(qiáng)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(guān)鍵，翅片管的翅化比（單位長(zhǎng)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(bǔ)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(fù)合。

板翅管是由一張張矩形的板片與換熱管脹接成一個(gè)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(kāi)些溝槽，強(qiáng)化流經(jīng)氣體的湍流程度，換熱效果會(huì)更好。板翅和換熱管材料：Cu，AI。該類(lèi)型管束適用于流量小，氣速低，氣壓低，氣流穩(wěn)定的場(chǎng)合，它的換熱性能較好，但強(qiáng)度低，抗振動(dòng)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(guò)程中對(duì)換熱管沒(méi)有機(jī)械損傷。該類(lèi)型翅片管制成的管束，適合于全流量范圍，但最高氣溫應(yīng)小于130攝氏度，換熱管與管板的連接不宜采用焊接結(jié)構(gòu)。

復(fù)合翅片管是近幾年來(lái)大量使用的換熱管材料，它是在基管外套一厚壁鋁管，通過(guò)專(zhuān)用軋輥，將鋁管扎制成規(guī)定高度的翅片，同時(shí)，翅片根部殘留的鋁管部分被牢牢地?cái)D壓扎緊在基管上，不看翅片管斷面，很難想象是兩種材料復(fù)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(guò)調(diào)整軋輥間隙極易實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的自由度大為增強(qiáng)。軋制的過(guò)程也是鋁翅片冷作硬化的過(guò)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(jiān)固耐用，適用范圍廣，換熱效果也很理想，在一些重要項(xiàng)目，重大產(chǎn)品上多采用此類(lèi)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(gòu)，它主要作為小流量，組裝式離心壓縮機(jī)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(jī)級(jí)間管路內(nèi)，管內(nèi)走高溫氣體，管外走冷卻水，翅片管長(zhǎng)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(shè)備底部由疏水器排出。

翅片管式中間冷卻器在離心空壓機(jī)中大量應(yīng)用，它的結(jié)構(gòu)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(dòng)能力和翅片強(qiáng)度在設(shè)計(jì)中要充分考慮；翅片間的間距小，流道窄，易殘留結(jié)垢，對(duì)氣流的純潔度應(yīng)與限定。

第二節(jié) 空壓機(jī)冷卻器市場(chǎng)新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

壓縮機(jī)冷卻器對(duì)于壓縮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。同時(shí)，對(duì)于換熱設(shè)備可以這樣理解：工藝設(shè)計(jì)在換熱設(shè)備中占有主導(dǎo)地位，機(jī)械設(shè)計(jì)是為了保證實(shí)現(xiàn)工藝計(jì)算中的傳熱和壓降的一種手段，因此壓縮機(jī)冷卻器的工藝計(jì)算十分關(guān)鍵。

20世紀(jì)70年代以前，我國(guó)換熱器的工藝計(jì)算往往限于自編程序和手工計(jì)算，在這之后，國(guó)內(nèi)一些設(shè)計(jì)院所開(kāi)始直接采用國(guó)際先進(jìn)的傳熱軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，但在壓縮機(jī) 行業(yè) 推廣則并不普遍。目前，國(guó)際通用的傳熱計(jì)算軟件主要有：

(a)HTRI(HeatTransferResearch.Inc.)美國(guó)傳熱公司，采用會(huì)員制，只要交會(huì)費(fèi)，會(huì)員便可以獲得全部工藝設(shè)計(jì)資料及軟件，還可參加其組織的會(huì)議及學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。

(b)HTFS(HeatTransferandFluidFlowservice)英國(guó)傳熱與流動(dòng)服務(wù)中心，采用了更為靈活的辦法，既可是會(huì)員，也可單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)其軟件。

上述兩家公司的軟件，用作投標(biāo)文件時(shí)，是被廣泛認(rèn)可的。

實(shí)例

本文參考的設(shè)計(jì)實(shí)例是適用于石化煉油領(lǐng)域所需的大型往復(fù)式新氫壓縮機(jī)組中的一級(jí)冷卻器。

冷卻器的設(shè)計(jì)輸入及初步結(jié)構(gòu)確定

該冷卻器原始數(shù)據(jù)為：標(biāo)態(tài)流量30300Nm3/h，進(jìn)氣溫度40℃，氣體成分：氫氣，相對(duì)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(hù)要求)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gòu)尺寸如表1所示。

根據(jù)已知設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行冷卻器的工藝校核(Rating)計(jì)算

將各項(xiàng)工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入程序

輸入內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)：

本實(shí)例輸入?yún)R總?cè)鐖D2所示：

在輸入?yún)?shù)的過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

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(duì)于該實(shí)例單一介質(zhì)可以從軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中選取，但對(duì)于壓縮機(jī)冷卻器來(lái)說(shuō)，許多情況下介質(zhì)的組成為混合物，從數(shù)據(jù)庫(kù)中難以選擇合適的物質(zhì)作為工藝介質(zhì)，這時(shí)可選擇“用戶(hù)自定義組成”，需要為其輸入以下關(guān)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(guò)文獻(xiàn)或?qū)＠痰墓に嚢募@得;

2、在輸入工藝參數(shù)中，多級(jí)壓縮機(jī)前幾級(jí)應(yīng)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(jì)算，往往經(jīng)常被忽略，造成計(jì)算冷卻面積不夠;

3、結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入中應(yīng)注意：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB151《管殼式換熱器》對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)尺寸作了明確規(guī)定，但一般國(guó)際通用商務(wù)傳熱軟件都是根據(jù)TEMA等國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)換熱器的，兩者有一定的區(qū)別。因此，應(yīng)在軟件程序中找到GB15關(guān)于換熱器每一項(xiàng)結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)定的對(duì)話(huà)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(jìn)口的距離等，方可設(shè)計(jì)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的換熱器。

調(diào)整參數(shù)

完成參數(shù)輸入后，運(yùn)行軟件，程序會(huì)給出計(jì)算報(bào)告。根據(jù)報(bào)告的提示需要對(duì)以下控制參數(shù)重點(diǎn)關(guān)注并做出相應(yīng)調(diào)整，修改參數(shù)重新運(yùn)行，以得出合理結(jié)果：

1、換熱面積、設(shè)計(jì)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(shè)定要求;

4、流路 分析 中，有效流所占比例合理;

5、無(wú)管束振動(dòng)、聲振動(dòng);不會(huì)因卡門(mén)漩渦、紊流抖動(dòng)、流體彈性不穩(wěn)定等原因產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)等。

實(shí)例計(jì)算報(bào)告如圖3，布管圖如圖4，三維效果圖如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果 分析

圖3為上述實(shí)例的計(jì)算報(bào)告，在計(jì)算報(bào)告信息欄中，沒(méi)有給出任何異常信息，并指明冷卻器運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)比各控制參數(shù)符合良好。從使用單位反饋的意見(jiàn)中也證明該臺(tái)冷卻器在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行良好。

應(yīng)用國(guó)際通用商務(wù)軟件進(jìn)行壓縮機(jī)冷卻器的工藝計(jì)算，能夠做到：

(1)準(zhǔn)確計(jì)算出所需的換熱面積和設(shè)計(jì)裕量;

(2)準(zhǔn)確 分析 出工藝流體在換熱器管內(nèi)的物理變化過(guò)程;

(3)計(jì)算真實(shí)的循環(huán)量和氣化率;

(4)準(zhǔn)確計(jì)算出管、殼程介質(zhì)的阻力損失;

(5)在運(yùn)算信息欄中給出冷卻器運(yùn)行的各種報(bào)告，包括振動(dòng)報(bào)告，穩(wěn)定運(yùn)行報(bào)告以及流體流速和流型報(bào)告，易于實(shí)現(xiàn)冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

因此，該方法在壓縮機(jī)冷卻器工藝計(jì)算領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

第三節(jié) 空壓機(jī)冷卻器市場(chǎng)國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

翅片管是空冷器用以傳熱的關(guān)鍵部件，它的好壞直接影響傳熱效率。美國(guó)的赫德森公司和法國(guó)的克魯索-魯瓦爾公司都不主張?jiān)跐袷娇绽淦魃鲜褂脝蜭型翅片管。認(rèn)為直接噴水會(huì)加劇翅片和基管的電化學(xué)腐蝕程度，導(dǎo)致熱阻增加，傳熱效率下降，空冷器壽命縮短。

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

第四節(jié) 空壓機(jī)冷卻器市場(chǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

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

對(duì)于中間冷卻器，內(nèi)部水溫不應(yīng)超過(guò)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(yīng)在20℃～30℃，進(jìn)出口水溫之差保持在15℃～20℃為宜。

對(duì)于氣缸冷卻，冷卻水溫過(guò)低則壓縮機(jī)在膨脹時(shí)缸內(nèi)空氣中的水分凝結(jié)，在壓縮時(shí)容易導(dǎo)致水擊；水溫過(guò)高冷卻效果不明顯。一般情況下，氣缸冷卻的進(jìn)水溫度須在30℃以上。

綜合上述兩種冷卻形式，對(duì)壓縮機(jī)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(guò)中間冷卻器，冷卻管線(xiàn)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(huì)對(duì)設(shè)備造成隱患。

壓縮機(jī)混聯(lián)式冷卻示意圖

空壓機(jī)工作時(shí)氣體的工作過(guò)程比較復(fù)雜。如何及時(shí)有效地釋放壓縮中產(chǎn)生的熱量，對(duì)提高空壓機(jī)的工作效率、節(jié)約能量均具有十分重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)空壓機(jī)的冷卻技術(shù)尚需深入 研究 及開(kāi)發(fā),從而保證空壓機(jī)可靠、高效地運(yùn)行。

第五節(jié) 空壓機(jī)冷卻器市場(chǎng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

采用空氣冷卻器可節(jié)省大量工業(yè)用水，減少污染，保護(hù)環(huán)境，降低基建費(fèi)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(guān)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(diǎn)集中在高端空壓機(jī)冷卻器的設(shè)計(jì)、 技術(shù)工藝 以及生產(chǎn)制造上。

上一篇：齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造行業(yè)最新技術(shù)應(yīng)用狀況及發(fā)展趨勢(shì)與運(yùn)行力預(yù)測(cè)
下一篇：渦旋壓縮機(jī)重點(diǎn)注意事項(xiàng)