海上平台用空冷器的设计
张喜迎
（郑州大学化工与能源学院热能与动力工程专业2班，450001）
摘要：天然气增压用空冷器属于高压容器设计，结合技术要求及海上高湿环境，本文选用干式空冷器。在设计过程中要着重解决管内换热系数的计算，从而在准确计算总传热系数的基础上，确定合理的换热面积，要既能达到客户要求的换热效果，又不会造成浪费，增加成本。整体设计完成后还要进行校核，以便确保产品能够安全使用。并按照相关标准绘制出设计装配图和零件图。
关键词：空冷器设计传热系数校核
The Design of Air Cooled Exchanger
for Offshore Platform
Xiying Zhang
(College of Chemical and Energy, Zheng Zhou University, 450001)
Abstract:Air cooled exchanger for boosting Natural gas is high-pressure vessel technology. Combined technically demanding and marine environment, this article selects dry air cooler.During the design process it should be focused on the calculation of the heat transfer coefficient of the tube side. And then the overall heat transfer coefficient should be worked out accurately. On this basic the heat transfer area is given which should not only reach the heat transfer effect but also not be a waste. In order to ensure that the product can use safely it should be checked after the completion of overall design. Besides the design drawing is given.
Key words:air cooler design heat transfer coefficient check
1 综述
在国外，自30年代空气冷却器投入工业使用以来，在石油化工企业迅速得到应用，从轻油到重油、油渣，从正压到负压，从炎热地区到寒冷地区，从水源充沛地区到缺水地区都成功的使用了空气冷却器。在国内，从1963年开始空气冷却器的开发和研究工作，由于空气冷却器是节约工业用水、避免环境污染的有效措施，因此30年多来，在新老石油化工厂、冶金企业、电站得到了应用和推广，应用范围在不断扩大。。事实说明，空气冷却器不仅维护费用低，而且与水冷系统相比较，空冷器有着更长的使用寿命。
空气冷却器的基本部件如下：
管束：由管箱、翅片管和框架组合而成。需要冷却或冷凝的流体在管内通过，空气在管外横掠流过翅片管束，对流体进行冷却或冷凝；
轴流风机：一个或几个一组的轴流风机驱使空气流动；
构架：空气冷却器管束及风机的支撑部件；
附件：如百叶窗、蒸汽盘管、梯子、平台等；
2 冷却方式的对比
具体到本文中，对于海上平台和船舶或其他空间比较紧凑的区域，采用水作为冷却器的冷却介质已有多年的历史，这是由于水的换热系数较高，可使设备更加紧凑，降低投资。。近年来，由于考虑到水冷却的供水问题，以及人类日益增强的环境保护意识（用水冷却引起水温增高，对河水造成热污染，严重的会破坏河流中的生态平衡），水冷却器在许多情况下已不宜选用。因此，人们愈发关注空气冷却器的发展和应用。
若采用水冷却器方案，必须要有足够的连续的冷却水，且只能选用海水。为此原来仅用于冲洗的海水泵排量需要增大，同时为保证连续的冷却水用量，需要增加1台海水泵作为备用。这就使原来的工艺流程变得复杂，同时增加了后期海水泵的维护工作，整体经济性不高。在空间布置上，虽然水冷却设备外形尺寸小，但由于盘管需要定期清洁，且需要预留盘管的抽芯空间，空间优势并不明显。综合考虑，采用水冷却器的造价较高，且冷却器和海水泵后期维护保养工作量大，不适宜应用在无人平台上。采用空冷器方案，由于空气的换热系数较低，空冷器的外形尺寸较大，并且为了保证良好的通风换热效果，需要保证充分的气流通道。因此，对于空冷器方案，主要是要有足够的空间。由于平台的流程简单，设备较少，通过论证，可以确保空冷器的空间要求。通过综合分析对比，采用空冷器方案可使平台生产流程更加简化，经济性较优。应用实践证明，空冷器的后期维护工作较水冷却器少得多，且更加环保。
3 空冷器的设计
空冷器的设计的步骤可简单表述为：总体设计——估算——选型——精确计算。
3.1 总体设计
根据给定条件，对比空冷与水冷，选择合适的冷却方式；选择空冷器的结构形式。本文选择水平鼓风式空气冷却器。
3.2 估算
根据给定的工艺流体条件计算出热负荷，选取合适的传热系数经验值，计算出对数平均温差，从而估算出换热面积，作为初步选型的依据。经计算，估算所得一、二级管束的换热面积分别为18.42 m2和25.03m2。
3.3 选型
选型是空冷器设计中非常重要的步骤。选型设计主要包括的结构参数有：管排数、迎风面积、管束、管程、风机，其中管束是空冷器的核心部件。管束主要由翅片管、管箱及框架组成。翅片管是空冷器的核心元件，它的性能直接影响空冷器的性能和应用。
考虑到海上的特殊环境，湿度达到97%，含盐较重，对空冷器的部件可能会造成较重的腐蚀，考虑到防腐的要求，翅片管基管材料选用高合金钢316L。目前存在的翅片形式有几十种，常用于空冷器的只有七种，分别是L型，双L型，G型，KLM型，DR型，套管型，椭圆形，综合传热性能、造价、防腐和承压能力等几方面的因素，选择KLM型翅片。在一般的空冷器中，翅片材料通常为铝，本文考虑到环境影响，选用铜翅片。
另外，在整体结构上，本文设计为两级工艺气管束，其中一级工艺气管束的设计压力为6.8MPa，二级工艺气管束的设计压力为14.5 MPa，放置在同一构架上，可有效的节省空间。
两级工艺气管束为并列设计，可同时冷却不同压力级的工艺流体，提高冷却效率。
3.4 精确计算
这一部分根据所选结构对空冷器的换热性能进行精确计算，得出结果后同选型面积进行对比，若差别在允许的范围内，则所选结构符合要求；否则就要再次选型，重新计算。
通过分别对两级工艺气管束管内传热系数、管外传热系数的及综合传热系数的计算，得到一、二管束管内传热系数分别为952.84 W·m2/K、744.49 W·m2/K，翅片效率为0.94，管外传热系数为803.76 W·m2/K，最后得到综合传热系数分别为384.26 W·m2/K、345.71 W·m2/K，所需换热面积分别为16.78 m2、25.33 m2，均小于一、二级管束选型面积20.7 m2和29.2 m2，所选结构能够满足换热要求。
此外还要对空冷器的阻力进行计算，以确保实际压降保持在允许压降的范围内。经计算一、二级管束的压力降分别为624 KPa、1330 KPa，远小于一、二管束的最大允许压降，是合格的。管外空气侧全风压156.41 Pa﹤200 Pa，合格。
4 空冷器校核
本文用专业的压力容器设计软件SW6对空冷器管箱的强度进行校核，并以GB150压力容器为依据对管箱接管的开孔进行补强计算，以确保产品能够安全使用。计算结果显示，在设计压力与温度下，管箱能够通过校核，符合强度要求。管箱顶板、底板的开孔需要进行补强，一、二级管束接管所需的补强面积分别为116.8 mm2、324.9 mm2。
5 绘图
本文以GB15386-93空冷式换热器中的结构图为模板，根据结构选型及计算结果进行绘图，并查阅JB/T4740-1997、GB150、HG/T20615-2009、HG20592-2009等相关标准选择标准件。其中标准件不再绘制零件图，按照标准执行。
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