【关键词】离心空压机,冷却器
【论文摘要】离心压缩机要实现等温压缩,效率优化,保证出口压力和温度指标,各段间要配置中间冷却器。由于压缩机对各段间允许的压力损失和进口温度的严格要求,决定了中间冷却器设计选型的特殊性。中间冷却器几乎涵盖了所有管壳式换热器的结构形式,这正体现了它集各种形式换热器优点于一身的设计理念。同时也是应对多种机型,大跨度工矿范围的必然选择。
一,前言
目前离心空压机被广泛应用在,空分、冶金、化肥、化工、制药、动力站等领域。离心压缩机要实现等温压缩,效率优化,保证出口压力和温度指标,各段间要配置中间冷却器。由于压缩机对各段间允许的压力损失和进口温度的严格要求,决定了中间冷却器设计选型的特殊性。中间冷却器几乎涵盖了所有管壳式换热器的结构形式,这正体现了它集各种形式换热器优点于一身的设计理念。同时也是应对多种机型,大跨度工矿范围的必然选择。
中间冷却器有压缩机之肺的形象比喻,它的冷却效果和可靠性直接影响压缩机的气动性能和整机效率。随着为离心空压缩机配套的中间冷却器的增多,一个适应各种工矿和不同机型的冷却器系列也自然形成,在此做一简单概述。
二,中间冷却器的适用范围和设计参数确定
为了更深入的理解中间冷却器的多样性和复杂性,了解其适用范围、特征和重要参数的取值依据是非常必要的。下面是据此归纳的特性表。
中间冷却器技术特性表(1-1)
介子 流量范围Nm3/h 压力范围MPa 温度范围(进/出)ºC 相对湿度ψ% 允许压力损失MPa 污垢系数m2.h. ºC/kcal
空气 3000~300000 0.2~8.0 150/90~35/50 0~100 0.002~0.01 0.0002~0.0006
冷却水 10~800 0.3~0.6 20/33~35/45 0.3~0.6 0.0002~0.0006
从表(1-1)中可以看出,温度范围、允许压力损失、污垢系数三项指标数值变化较小,而空气的流量范围、压力范围、相对湿度三项指标变化范围较大。热负荷(换热量)的大小是决定换热器面积的主要因素,而上述三项指标的大范围工况跨度决定了热负荷(换热量)的差异很大,在中间冷却器几何外形上的反映尤为直观,表1-2可见一般。
中间冷却器特征表 (1-2)
直径(mm) 总长(mm) 重量(Kg) 容器类别
Φ400~2600 2000~13000 300~38000 Ⅰ类~Ⅱ类
温度变化范围和允许压力损失范围从数值上看波动范围小,但这两项指标恰恰是中冷器必须严格遵循指标,是保证压缩机在性能曲线上运行的前提,在国外的中冷器技术协议中,经常见到诸如:出口温度升高一度,压力损失超过一毫巴,扣除货款x%的附加条款,可见这两项指标对整个机组的重要程度。
相对湿度是当时当地大气的相对湿度, 随着季节和天气的变化而变化,进入压缩机经过一段压缩和冷却后,饱和分压达到100%,过饱和部份冷凝析出。以出口压力1Mpa的空压机为例,占75%的水蒸气在中冷器内被冷凝排出,所以中间冷却器的设计中要增设冷凝水的分离排放系统。
污垢系数在整个中冷器运行中是一个逐渐增大的数值,它的存在对有效换热是一种阻碍,(也称热阻),在设计中应与重视,通常污垢系数的取值是在最恶劣工矿下且满足中冷器使用的极限值,在充分考虑空气环境,检修周期,水质条件的前提下,由用户和设计方共同确认,保证中冷器和真实工矿的吻合,实现中冷器效益的最大化。
三,中间冷却器的结构形式与适用场合
中间冷却器的核心元件是换热管,在中冷器中,换热管有以下几种形式:光管,翅片管,。下面以换热管形成的中间冷却器形式分项概述。
光管-中间冷却器
光管制成的中间冷却器主要是GB151中定义的换热器形式,即:固定管板式;浮头式;U型管式;填料函式。
换热管规格为:Φ25;Φ20;Φ19;Φ16。材质为:20#;不锈钢;铜及铜合金。
在流量小于30000Nm3/h;进气压力小于1.6Mpa;机组为双层布置;对压力损失要求不严格;机组做为动力站使用的场合,可采用固定管板式、浮头式中冷器,壳程走高温空气,管内走冷却水,这两种换热器浮头式优于固定管板式,因为浮头式结构可消除温差应力,管束可更换,缺点是成本高于固定管板式换热器。
在流量小于30000Nm3/h;进气压力大于4.0Mpa,对压力损失要求严格,可采用U型管式、填料函式中冷器,管内走高温空气,壳程走冷却水。在相同壳径下,U型管式为两气程,而填料函式为单气程,所以填料函式中冷器的损失小于U型管式结构,而制造成本则相反,在设计中可视损失要求而定。
在中冷器后单独配备分离器实现对冷凝水的分离排除。总体而然,光管形式的中间冷却器设备大,压力损失大,单位体积换热面积小,换热效率低,一般用在非重要的场合,不作为中间冷却器的首选形式,但因其成本低,维护简单,使用寿命长,制造工艺成熟,还有一定的应用领域,特别是U型管式、填料函式中冷器在空气压力较高的场合,是其他形式的换热器无法替代的。
翅片管-中间冷却器
在中间冷却器的全流量范围内,进气压力小于7Mpa;对压力损失控制严格;要求中间冷却器体积小,结构紧凑,换热效率高,冷却水耗量小的场合,采用翅片管-中间冷却器。同时,各种翅片管形成的换热器,有其各自的特点。
翅片管分为:板翅,绕翅,复合翅片管,内翅片管等几种形式,中间冷却器通常由壳体,管束,前、后水盖,内置式分离器组成。壳侧(即翅片侧)走高温气体,管内走冷却水。管束由翅片管和管板组成,是完成换热的场所,此类中间冷却器的设计,就是围绕管束的设计展开的。
在气-水换热中,气侧的传热系数与水侧的传热系数相差至少一个数量级,强化气侧传热系数,是增大总传热系数,提高换热效率的关键,翅片管的翅化比(单位长度的翅片管面积与光管外表面积之比)通常在12以上,这大大弥补了气侧传热的先天不足住,是光管换热器望尘末及的,气体在翅片间流过,流通面积大、流程短,压力损失小。
管材规格:Φ19;Φ18;Φ16;Φ12。材料:20#;不锈钢;铜及铜合金。翅片厚度:0.15~0.4。
材料:Al;T2。换热管与翅片连接方式:胀接;钎焊,挤压复合。
板翅管是由一张张矩形的板片与换热管胀接成一个单元换热管,再由单元组成管束。板片先经冲压成形,按等边三角形或转角正方形冲出管孔,将换热管穿入孔中,管内打弹胀接成形,如在板翅上再开些沟槽,强化流经气体的湍流程度,换热效果会更好。板翅和换热管材料:Cu,Al.该类型管束适用于流量小,气速低,气压低,气流稳定的场合,它的换热性能较好,但强度低,抗振动能力差,胀接不好板翅与换热管易脱落;由于制造工艺限制,管束不能做大。
钎焊翅片管也叫绕片管,是用铜带缠绕在铜或铜合金换热管上,再用锡焊固定而成,翅片管外观质量好,片厚匀均,换热管截面有园型和椭园型两种,成型过程中对换热管没有机械损伤。该类型翅片管制成的管束,适合于全流量范围,但最高气温应小于130ºC,换热管与管板的连接不宜采用焊接结构。
复合翅片管是近几年来大量使用的换热管材料,它是在基管外套一厚壁铝管,通过专用轧辊,将铝管扎制成规定高度的翅片,同时,翅片根部残留的铝管部分被牢牢地挤压扎紧在基管上,不看翅片管断面,很难想象是两种材料复合而成的翅片管,翅片是铝(Al),基管可以是:20#,不锈钢,铜及铜合金。翅片间距和翅片厚度通过调整轧辊间隙极宜实现,设计的自由度大为增强,轧制的过程也是铝翅片冷做硬化的过程,加之后续的碱洗,烘干,翅片表面形成氧化膜,起到了防腐的作用。这种翅片管的整体性好,坚固耐用,适用范围广,换热效果也很理想,在一些重要项目,重大产品上多采用此类翅片管做中间冷却器,效果很好。
内翅片管是一种新型的换热管结构,它主要为小流量,组装式离心压缩机配置中间冷却器和出口冷却器,换热管与翅片为铜材,翅片夹装在换热管内,制成管束后,组装在压缩机级间管路内,管内走高温气体,管外走冷却水,翅片管长度1米左右,这种中间冷却器换热效率很高,压力损失很小。
上述中间冷却器的出口侧,都加装分离器,分离冷凝水,汇集到设备底部由输水器排出。
翅片管式中间冷却器在离心空压机中大量应用,它的结构紧凑,低耗高效是其被选中的主要原因,但它组成管束的抗振动能力和翅片强度在设计中要充分考虑;翅片间的间距小,流道窄,易残留结垢,对气流的纯洁度应限定。
四, 结束语
离心压缩机在装置中属心脏设备,是保证流程运行的关键,所以对其运行的稳定性和连续性的要求是很高的,同时对开停车短时变工况也要有机械承载能力,这就要求与之配套的中间冷却器也具有这种性能,单台设计是离心压缩机的又一特点,同样与之配套的中间冷却也要一一对应,永远将换热器的最新科技成果,应用于离心空压缩机中间冷却器-是必然的选择。
参考文献
1 GB151-1999《管壳式换热器》,国家质量技术监督局,1999
2 《化工原理》 谭天恩,麦本熙,丁恶华,化学工业出版社,1986
3 《换热器原理及计算》 朱聘寇 ,清华大学出版社,1987
4/29/2004
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