CN101539375A

CN101539375A - 一种螺旋板翅式空冷器

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Publication number: CN101539375A
Application number: CN200910026411A
Authority: CN
Inventors: 吴植仁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2009-09-23

Abstract

空冷是一有效的节水技术，但在推广中受到经济上的制约，这是由于现有空冷器的缺点是传热系数小、造价高、耗费材料多、紧凑性低、占地面积大、运行费用高。本发明的任务，在于寻求一种性价比优良的新型空冷器。它具有总传热系数大、冷端端部温差小、紧凑性高和制造成本小，运行费用低的优势。它是由外壳，螺旋板翅式空冷单元，不凝气抽气管系，风扇和其他结构件所组成。其特征在于，在壳体内，设置有一个或多个螺旋板翅式空冷单元，它是由对折的传热基板在专用卷床上，卷制成互不相通紧密相邻的两个螺旋道组成，其中一个是风道，另一个是工艺介质道，两流道均可设置翅片，空气靠风扇驱动，送风方式有正压送风和负压吸风；介质被风冷凝(冷却)，冷风则被加热外排。当热负荷较大，可采用组合结构。本发明有益效果是，空冷单元呈圆形，风道的强度高，制造费用低，有多种组合模式，适应性强，可满足不同工艺、产量、和热负荷的需求。适宜用在一切可能采用空冷的工位上，如汽轮机排汽凝汽器、精馏塔顶产物空冷器、电力变压器油冷却器等等。

Description

一种螺旋板翅式空冷器

所属技术领域

本发明涉及一种用空气作为冷却介质的空冷器。

背景技术

空冷器是一种用空气作为冷却介质的换热器，广泛用国民经济各部门。如石油化工的塔顶空冷器、发电厂凝汽器、电力变压器的油冷却器、工业用暖风机、空调室外机的冷凝器及室内机的蒸发器、风机盘管和汽车水箱等等。

世界上第一台工业空冷器是由德国GEA公司于1939首次在发电厂应用，迄今为止已有近70年的历史。火电厂空冷技术，经历了容量由小到大，技术上不断成熟，应用地区不断扩大，人们的重视程度不断提高的过程。目前，电厂空冷系统有：1.直接空冷系统(又称空冷岛，简称ACC)；2.采用表面式凝汽器的间接空冷系统(即哈蒙系统)；3.采用混合式凝汽器的间接空冷系统(即海勒系统)。三种系统都已得到成功的应用。目前，在国际市场上直接空冷与间接空冷的比例是：6∶4。鉴于间接空冷系统具有噪音低的优点，哈蒙间接空冷系统具有不消耗电力的优点，海勒间接空冷系统具有占地面积少，投资较低的优点，近来拟建空冷电站采用间接空冷系统的比例有上升的趋势。

按传热元件分，空冷器可以分为板式和管式两大类。由于结构原因，目前的板式空冷器，只能用于热负荷不大的场合。

由于现有的大中型空冷器100％采用翅片管式，故国内外一些权威、经典的有关换热器的教科书和参考书中，是这样来定义空冷器的，“空冷器是以空气为冷却介质，横掠翅片管外，使管内高温流体得到冷却或冷凝的设备”。这样定义有片面性。使人们产生了一个认识上的误区，似乎，空冷器只能采用翅片管作为换热元件。我们认为，适宜的表述应该是：“空冷器是以空气为冷却介质，通过间壁，使高温流体得到冷却或冷凝的设备”。空冷凝汽器的翅片管，发展经历了三个阶段，从上世纪50年代的多排圆形翅片管，到70年代的双排椭圆形翅片管，然后到90年代的单排扁平管，性能上不断提高。然而扁平管的制造工工艺十分烦琐。要经过扁管成形、高频焊接、喷铝、穿套翅片、保护焊接等多道工序。

目前，世界上最大的直接空冷机组为英国(uk)langage电站850Mw空冷机组。哈蒙式间接空冷机组为南非kendal(肯达尔)发电厂6×690Mw机组，海勒式间接空冷机组为阳城电厂二期2×600Mw机组。发电厂空冷凝汽器仍在继续发展。GEA公司认为，该系统可以用到120万KW以上的机组上。火力发电厂改用空冷后，一般都可节水90％以上。1948年美国Texco Corpus Christ炼油厂以全空冷取代了水冷，即出现了“全空冷”炼油厂。此后，陆续在美国和俄、德、日、法、加等国家的一些炼油厂，得到了应用。近两年空冷系统又被用于大型水电站、火电站的冷却(如三峡和龙滩70万千瓦水轮机组，大同二电厂二期60万千瓦汽轮机组发电机本体等)，以代替水冷或氢冷。这是空冷技术又一有待开发的市场。

随着我国电源建设不断发展，水资源不足已成为制约我国电力工业可持续发展的重要因素之一。我国“三北”地区富煤缺水，为保证“三北”地区电力工业可持续发展，按国家政策要求，北方干旱缺水地区(主要是内蒙、山西、陕西等地)新上火电机组必须是大型空冷机组。原有大中型水冷机组改空冷机组也被提上议事日程。这一政策促进了近年来我国空冷技术的大发展，在引进消化吸收的基础上，单排管制造技术国内已经掌握，并已形成规模。

实践证明，空冷技术节水效果明显。以2×600MW空冷机组工程为例，湿冷机组水耗量2600m³/h，空冷机组水耗量520m³/h，预计每年将比湿冷机组节水1500万吨，节水效益非常明显。

但是，这一有效的节水技术，在推广中受到制约，这是由于现有空冷器的缺点是造价高、耗费材料多、占地面积大、运行费用高。一个2*60万千瓦机组的空冷设备造价约1.7亿元，而水冷设备只需要1.2亿元；煤耗高，每年会多消耗电力6000万度，约合2000万元。因此，电力工业中的空冷局限于我国富煤缺水的“三北”地区；石化工业，尚只局限用塔顶馏出物空冷的少数工位上。造价高的根源在于，现有空冷设备换热元件的技术性能偏低：(1)总传热系数K低于80w/m²°K，(据报导，哈空调生产的单排管，在2m/s的风速下传热系数只有35.35w/(m·k)。)加上热负荷巨大，使空冷器所需换热面积十分庞大，如大二电站的空冷凝汽器总散热面积高达153万m²；(2)冷端端部温差(空气进口温度和凝水出口温度之差)一般在25℃以上，不能满足石化工艺对冷介质冷却终温(一般应小于45℃)的要求，因此，塔顶馏出物经带雾化冷却的空冷后，还需要采用后冷器(水冷)，进行进一步冷却；大型发电厂空冷器的冷端端部温差高达35℃以上，不能满足电力工业尽量降低汽轮机乏汽压力的要求，特别是在夏季会显著减少机组的满发时间；(3)换热元件的紧凑性低(翅片管一般为300-600m²/m³)，使空冷器体积过大，设备很重，材料消耗惊人，初期投资巨大(2*60万千瓦机组所有设备和钢结构总重约5600余吨)；(4)翅片管的制造流程较长，工艺复杂，制造成本很高。2*60万千瓦机组空冷机组的成本结构中，翅片管束就占65％左右，如管束价格不降，则空冷器的降价空间不大。

上述由于换热元件的技术性能偏低带来空冷设备的缺点，只有通过技术进步，才能解决。鉴于国内直接空冷电厂的快速发展，研究开发适合我国国情的空冷凝汽器意义重大。国内现有空冷基本上都是采用进口技术，研发能适应我国环境特点、具有自主知识产权的空冷凝汽器，具有巨大的市场潜力和发展前景。

本发明的任务，在于寻求一种总传热系数大、冷端端部温差小、换热元件的紧凑性高、制造成本低和运行费用少的新型空冷器。

由申请人研发的一种带翅片的螺旋板壳式气体冷却器，在中国石化杨子石油化工股份有限公司气体脱硫装置中的运行的结果，使我们看到了完成上述任务的技术上的可能性。工业装置运行数据表明，由于设置了翅片，螺旋板壳式换热器的换热芯又选择了合理的结构参数，使冷端气-液两介质的温差只有3℃左右，而且，这一温差是在传热总系数K(只计基板的面积)平均高达1686w/m²°k下取得的。(如计翅片的面积，K值则为484.6w/m²°k)，较之现有的空冷元件高十多倍，尽管前述气体脱硫装置中，干气是被冷却，而空冷中空气是被加热，两者的工况有差异，不能完全套用K值和端部温差的数据作为设计依据，考虑到加热和冷却是个可逆过程，它们间是大同小异，数据级有参考价值。当两流道中都设置翅片后，其紧凑性可高达4000～5500m²/m³，且制造流程很短，工艺简单，制造成本低廉。为空冷技术提供一种理想性价比的换热元件展现了广阔的前景。

本发明的任务，在于寻求一种总传热系数大、冷端端部温差小、换热元件的紧凑性高和制造成本低的螺旋板翅式空冷器。它是由外壳，螺旋板翅式空冷单元，不凝气抽气管系，风扇和其他结构件所组成。其特征在于，在壳体内，设置有一个或多个螺旋板翅式空冷单元，为排除不凝气，在一些螺旋板翅式换热单元中，设置抽气管系，所占换热面积，约为总换热面积的5％，螺旋板翅式空冷单元是由对折的传热基板在专用卷床上，卷制成互不相通紧密相邻的两个螺旋道组成，其中一个是风道，另一个是工艺介质(蒸汽)道，工艺介质(蒸汽)既可以垂直于螺旋道形成的平面方向流动，也可以沿螺旋道流动，工艺介质(蒸汽)和风通过呈螺旋状的间壁进行逆流或错流流动，工艺介质(蒸汽)被风冷凝(冷却)，冷风则被加热外排，必要时两流道均可可设置翅片，为降低翅片和传热基板的热阻，采用在卷制时使翅片与传热基板压紧或卷成后施以钎焊或热浸镀，空气经风扇驱动，垂直于螺旋道形成的平面方向流动。

附图说明

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的描述。图1是螺旋板翅式空冷器两流体呈逆流换热的结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是螺旋板翅式空冷器两流体呈错流换热的结构示意图，图4是图3的俯视图。图5是由1个螺旋板翅式空冷单元组成小型空冷器的右侧视图，图6是图5的正视图，图7是图6的左侧视图。图8是由6个(但不限于此数)螺旋板翅式空冷单元组合成的、采用吸风方式和多角形结构的中型空冷器的俯视图，图9是图8的正视图，图10是由8个(但不限于此数)螺旋板翅式空冷单元组合成的、采用送风方式和双平壁结构的大型空冷器的正视图，图11是图10的右侧视图，图12是图10的俯视图。图13是外壳为圆筒形结构(可承压)采用送风方式的大型空冷器的正视图，图14是图13的A-A剖视图。图15是采用送风方式和屋脊型结构的特大型空冷器的结构图，图16是屋顶面正视图。图中：1.工艺介质(蒸汽)进口管，2传热基板，3.定距器件，4.翅片，5.壳体，6.风扇，7工艺介质出口管，8.配风室，9.风道封条，10.工艺介质道封条，11.螺旋板翅式空冷单元，12工艺(蒸汽)介质进口汇总管，13工艺介质出口汇总管，14喉部，15汽室，16凝水井(精馏塔顶产物储存箱)，17配风室内壁，18雾化(喷淋)循环水箱，19凝水泵，20螺旋板式空冷单元群，21不凝气抽气管系。

实施例1小型液态化工产品和中型电力变压器油空冷器

图1是由一个螺旋翅板式空冷单元组成的小型空冷器、两流体呈逆流换热的结构示意图，配置一台风扇。图2是图1的俯视图。它适用于流量不大、产品粘度稍高、介质流阻不能高的液态化工物料的冷却。例如功率不大的电力变压器油冷却器。在壳体5的内部，设置有由两个螺旋道构成的空冷单元。它是由传热基板2在卷床上卷制而成的互不相通紧密相邻两条螺旋道，它们靠两端的风道封条9和工艺介质道封条10分隔。风道中可设置翅片4，翅片的型式有多种，它们是熟知技术，无需赘述。工艺介质道中设置定距器件3。为引入和导出工艺介质，设置有工艺介质进出口管1和7，图中，工艺介质进出口管是个集散管，在管内，风道用风道封条9封堵，而介质道是开口的，在管外介质道用介质道封条10封堵，而风道是开口的(参见图1)，于是工艺介质和冷风呈逆流换热。汽室中不凝气由21外抽。

实施例2小型低粘度液态化工产品空冷器

图3是由一个螺旋板翅式空冷单元组成的小型空冷器、两流体呈错流换热的结构示意图，配置一台风扇。图4是图3的俯视图。它适用于流量稍小、产品粘度不高、介质流阻可以稍高的液态化工物料的冷却。例如低分子溶剂的冷却。图3中，工艺介质进出口管1是个单管，由中心管送入，由内向外，走螺旋道，最后从最外圈外排，汽室中不凝气由21外抽。螺旋板翅式风冷单元11的两端部用介质道封条10封堵(参见图3)，风道则是开口的。于是冷风沿垂直于螺旋平面的多条螺旋流道中并联流动，使工艺介质和冷风呈错流换热，工艺介质被冷风冷却。上述两种空冷器适用于热负荷较小且工艺介质的体积流量不大的场合。

实施例3小型汽轮机凝汽器和小型化工精馏塔顶产物的空冷器

图5、6、7适用于热负荷较小且工艺介质的体积流量较大的场合，如小型汽轮机排汽和小型化工精馏塔顶产物的空冷。在壳体5内，设置了一个螺旋板翅式空冷单元11，为提高送风的均匀性，将它的迎风面分为若干个扇形面(作为代表，这里分为6个扇形面)，三个扇形进风口设在螺旋板翅式空冷单元11的右侧，三个扇形排风口设在螺旋板翅式空冷单元11的左侧，它们间有相位差，在扇形包合面内，介质道用介质道封条10封堵，冷风道则是开口的。通风和通介质扇形面积大小，取决于两流体的量。冷风经风扇6驱动，由右侧吸入经配风室8通过三个扇形进风口，进入到螺旋板翅式空冷单元11内，回转一个相位差，由左侧的三个排风口外排。由汽轮机或精馏塔顶来的汽态介质由上部进，经喉部14进入到汽室15，它是由壳体5和配风室内壁17形成的一个密闭空间，与冷风不通，其中充满汽态介质，在介质道中被冷风冷凝的液态介质自行下流并积聚在凝水井16中，定期泵出，汽室中不凝气由21外抽。配风室8是一个与汽室15相隔断的空间，将风扇6送来的冷风分配到三个扇形进风口，经螺旋板翅式空冷单元11，通过传热基板2使汽态介质冷凝。在配风室8的底部，有雾化(喷淋)循环水箱18，在其中储存软水，供在夏季或必要时在配风室8中用泵(图中未示)实现雾化或喷淋，以强化冷却。雾化或喷淋均属熟知技术，无需赘述。

实施例4中型液态化工产品和中型电力变压器油空冷器

当热负荷较大，产品为液态且量较大，就需多个空冷单元，这时可采用组合结构。将多个螺旋板翅式空冷单元分列于多边形的周边，故简称为多边式。组合单元数应根据实际需要确定。作为一个实施例的代表，图8是由6个螺旋板翅式空冷单元11组合成的中型空冷器的俯视图，其外观呈正六边形。图9是图8的正视图。工艺介质由工艺介质进口汇总管12进入，经每个单元的进口管1送到螺旋板式空冷单元11，在其中被风冷却，再由每个螺旋板翅式空冷单元的出口管7和汇总管13外排，汽室中不凝气由21外抽。为强制通风，设置有风扇6以吸进冷风，冷风从六个螺旋板翅式空冷单元的迎风面吸入、集中后经风扇6外排。为强化风侧的给热，必要时对着迎风面设置喷嘴使水雾化，这些都是熟知技术，无需赘述。这种结构适用于产量中等的液态化工产品的冷却和功率中等的电力变压器油冷却器。

实施例5大、中型汽轮机排汽和大型化工常减压精馏塔顶产物空冷器

当介质为汽态且体积流量和热负荷都较大，例如大、中型汽轮机排汽和大型化工精馏塔顶产物的空冷，就要采用如图10-12的组合模式。它是将多个螺旋翅式空冷单元分列于夹壁两侧，故简称为夹壁式。图11是夹壁式左侧壁面的正视图，图10是图11的侧视图，图12是图10的俯视图。这里共有8个螺旋板翅式空冷单元，(只是一种代表，数量多少应根据需要确定)，将它们分别于夹壁两侧，每侧4个，分列于左右两个汽室15中，两汽室的中间是配风室8，每个螺旋板翅式空冷单元的迎风面分隔成若干个(这里用6个为代表)扇形，其中有三个进风口和配风室8相通，对应于进风口，介质流道用介质道封条10封堵，而风道则是开口的，在螺旋板翅式空冷单元的另一侧有三个排风口和环境相通，对应于排风口，介质流道用介质道封条10封堵，而风道则是开口的。于是经过换热的热风就排放到环境中。由汽轮机(或大型精馏塔顶)来的汽态介质，由上部引入，经喉部14流向两侧的汽室15，在汽室15内，螺旋板翅式空冷单元的介质流道是开口的，而冷风流道是闭合的，于是蒸汽的热通过传热基板2被冷风带走而被冷凝冷却。冷凝的液态介质自行下流，汇集在凝水井16中，定期泵出，汽室中不凝气由21外抽。在配风室8的底部，有雾化(喷淋)循环水箱18，在其中储存软水，供在夏季或必要时在配风室8中用泵(图中未示)实现雾化或喷淋，以强化冷却。雾化或喷淋均属熟知技术，无需赘述。

实施例6大型化工带压精馏塔顶产物空冷器

在石油化工生产过程中，精馏塔常需在压力下工作，为改善壳体的受力状况，实施例5的的平板外壳就需要改成圆筒形结构，图13是圆筒形的正视图，图14是图13的A-A剖视图。将壳体5和配风室内壁都改成圆筒形。对应的，这种结构可简称为圆筒式。这里也有8个螺旋板翅式空冷单元，(只是一种代表，数量多少应根据需要确定)，将它们分为两层，每层4个，按同心圆排布在汽室15中，汽室的中间是配风室8，每个螺旋板翅式空冷单元的迎风面分隔成若干个(这里用6个为代表)扇形，其中有三个进风口和配风室8相通，对应于进风口，介质流道用介质道封条10封堵，而风道则是开口的，在螺旋板翅式空冷单元的另一侧有三个排风口和环境相通，对应于排风口，介质流道用介质道封条10封堵，而风道则是开口的。于是经过换热的热风就排放到环境中。由带压精馏塔顶来的汽态介质，由上部引入，经喉部14流向汽室15，在汽室15内，螺旋板翅式空冷单元的介质流道是开口的，而冷风流道是闭合的，于是蒸汽的热通过传热基板2被冷风带走而被冷凝冷却。冷凝的液态介质自行下流，汇集在精馏塔顶产物储存箱)16中，定期泵出，汽室中不凝气由21外抽。在配风室8的底部，有循环水箱18，在其中储存软水，供在夏季或必要时在配风室8中用泵(图中未示)实现雾化或喷淋，以强化冷却。雾化或喷淋均属熟知技术，无需赘述。

实施例7特大型空冷凝汽器(ACC)

图15是采用送风方式和屋脊型结构的特大型空冷器的结构图，图16是屋顶面正视图。图15用双跨为代表，特大型空冷器往往需要多跨。由工艺介质(蒸汽)进口汇总管12(图中未示)来的蒸汽，经工艺介质(蒸汽)进口管1进入到四个呈屋脊的螺旋板翅式空冷单元群20的汽室中，它是由一群螺旋板翅式空冷单元11(参见图16)夹在两块板壳中而成，其构造与实施例5中图10-12所示的夹壁式类似，两块板壳与周边的隔板形成一个密闭的蒸汽配流室，此室与螺旋板翅式空冷单元的蒸汽道相通，和风道不通，汽室中不凝气由21外抽。由风扇6上吹的冷风由通过每个螺旋板翅式空冷单元的进风口和风道，与蒸汽换热后，最后从出风口外排。为保证通风强度，空冷器需采用强制通风，通风方式有压吸两种通风方式，各有优缺点，应因地制宜地选用。本发明的有益效果是，与呈圆形风扇的匹配性好，同时可提高风道的强度，降低其制造费用，可采用多种组合模式，适应性强，可满足不同工艺、产量、和热负荷的需求。适宜用在一切可能采用空冷的工位上，如汽轮机乏汽凝汽器、精馏塔顶产物空冷器、电力变压器油冷却器等等。为促进节能减排和可持续发展作贡献。

Claims

1.一种螺旋板翅式空冷器，是由外壳，螺旋板翅式空冷单元，不凝气抽气管系，风扇和其他结构件所组成。其特征在于，在壳体内，设置有一个或多个螺旋板翅式空冷单元，它是由对折的传热基板在专用卷床上，卷制成互不相通紧密相邻的两个螺旋道组成，其中一个是风道，另一个是工艺介质道，两流道中可设置翅片，为降低翅片和传热基板的热阻，在卷制时使翅片与传热基板压紧或卷成后施以钎焊或热浸镀，空气经风扇驱动，垂直于螺旋道形成的平面方向流动，介质被冷风冷凝(冷却)，冷风则被加热外排。

2.一种如权利要求1所述的螺旋板翅式空冷器，其特征在于，为排除不凝气，在一些螺旋板翅式换热单元中，设置抽气管系，所占换热面积，约为总换热面积的5％。

3.一种如权利要求1所述的螺旋板翅式空冷器，其特征在于，介质既可以垂直于螺旋道形成的平面方向流动，也可以沿螺旋道流动，介质和空气通过呈螺旋状的间壁进行逆流或错流热交换。

4.一种如权利要求1所述的螺旋板翅式空冷器，其特征在于当热负荷较大，需多个空冷单元时，可采用组合结构，其型式有：多边式、夹壁式、圆筒式、屋脊式。

5.一种如权利要求1所述的螺旋板翅式空冷器，其特征在于为强化冷却，可采用水的雾化或喷淋等措施。

6.一种如权利要求1所述的螺旋板翅式空冷器，其特征在于，送风方式有正压送风和负压吸风两种。