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活塞式压缩机中冷器创新应用 【摘要】：对传统中冷器进行了研究,提出了改进方法,实践证明:改进设计后的中冷器及新型中冷器的应用可改善压缩机的性能,提高经济性和运行寿命。 【关键词】： 中冷器 冷却器 压缩机 【前言】：塞式压缩机作为目前应用最为广泛的气体压活缩通用机械，在石油化工、化工、机械、采矿、制冷、制药、冶金、建筑、土木、食品和国防等工业部门得到应用。中冷器是压缩机的重要辅助设备，直接影响压缩机的性能、经济性和安全运行，但压缩机实际运行中往往存在中冷器冷却能力不足、能耗高、易堵塞、发生泄漏等问题，因此必须对中冷器进行改造和应用研究。 【正文】： 1 中冷器的性能对压缩机的影响 中冷器的性能对压缩机设备有以下4个方面的影响： (1) 对可靠性的影响中冷器冷却效果差，压缩机的排气温度高，气缸内壁温度高，致使润滑油变质，润滑恶化，从而加速气缸的磨损。若排气温度过高，会使润滑油氧化而在设备、管道内“积碳”，发生爆炸事故，故压缩机的排气温度是有限制的。 (2) 对排气量的影响 中冷器冷却效果良好，气缸内壁温度低，传给气体的热量少，从而提高压缩机的容积系数和温度系数，进而提高压缩机的排气量。 (3) 对经济性的影响 对多级压缩，级间冷却越完善，压缩机就越省功。对于水冷式压缩机，当中冷器效率不高时，为使气体温度满足设备要求，必然需增加对冷却水的消耗量，输送冷却水所需能量也会增加，造成水量、电量浪费。另外，由于冷却后气体的比容积下降，可减少气体的流动阻力损失或减少气体管道直径。 (4) 对无油润滑压缩机的影响 对于无油润滑压缩机而言，由于气缸内无油，不能通过润滑油带走部分摩擦热，而活塞环、导向环一般采用非金属自润滑材料来制造，与金属环相比，导热性能差，中冷器的效果对保证压缩机性能更加重要。 2 冷却介质的选取 活塞式压缩机中冷器中最常用的冷却介质为空气和水，故可分为风冷式中冷器和水冷式中冷器两大类。空气具有免费易得、无需泵和水处理等辅助设备、维护费用低等优点，故小型、移动式或撬装式压缩机的中冷器一般选用空气作为冷却介质。当在野外特别是在缺水地区作业时，风冷式中冷器尤为适用。因空气的比热容仅为水的四分之一，同等情况下所需空气量为水量的4倍，加之空气的密度低，故风冷式中冷器的体积要大得多。对于中、大型压缩机，由于排气量较大，压力高，所需传递的热负荷大，一般选用比热容大的液体作为冷却介质，而水的价格低、容易获得，最为常用。应该指出：运行一段时间后，在中冷器内会有水垢形成，致使水流通道截面积减小，水循环的阻力增加，阻碍正常的热交换，造成中冷器冷却不足，功耗增加，甚至发生事故，因此使用前必须对冷却水进行软化处理，并当水垢超过一定厚度时及时清除掉。 3 传统中冷器的应用及改进 3.1风冷式中冷器 对于微型压缩机由于气量低、体积小，常采用由铜管弯制而成的蛇管式中冷器，结构简单、成本低、安装方便，但冷却效果不佳。绝大多数小、中型压缩机采用列管式中冷器，换

热管一般采用圆铜管，以满足冷却效果的要求。压缩气体在管内流动，由风扇产生的冷却空气从垂直于管束方向掠过。由于光管散热性差，可在管外缠绕铜质或钢质翅片，但必须保证钎焊质量以使翅片与管子间紧密贴合。散热翅片间距不可过密，以避免增加热阻、流动阻力和减小风量。为方便制造，多采用平翅片，选取片厚 0.2~0.3 mm，片距 2.8~3.2 为佳。 3.2水冷式中冷器 常用水冷式中冷器形式有列管式、元件式、套管式、喷淋式和蛇管式等。 (1)列管式中冷器是应用最为广泛的一种冷却器，它由外壳和管束组成。低压时，气体在管间流动，冷却水在管内流动。压力较高时，为了提高气侧的传热系数，可使冷却水走管外，而气体走管内，气体速度得到提高。当管束很长时，可做成U型管式，但管内清洗更加困难。在光管外滚压翅片而得的翅片管，可以增加管外气侧的传热面积，且翅片与管壁为 一整体，总传热系数比光管提高50%~60%。若肋高取3mm以上，其肋化系数可达2.5~4.5，但是所需坯管壁厚大，耗材多且工艺复杂，成本较高。 (2) 元件式冷却器是一束管穿一组散热片，固定组合后作为整体放入壳体，结构紧凑，广泛用于L型压缩机。由于冷却水走管内，管子的内径较小，故不便于管内的除垢清洗。减少翅片间距会增大翅片侧的传热面积，提高换热器的紧凑性，但相应流动阻力增加，造成相邻两翅片的边界层重叠。若翅片距过小，当压缩机在相对湿度较大的条件下工作时，空气经压缩冷却后，当气体温度低于其露点温度时，空气中的水分就析出，贴附于翅片表面上，增加了换热器的传热热阻，导致传热性能下降。如若处理含有SO、CO 等腐蚀性气体的空气，更易导致翅片腐蚀，使中冷器失效。因此翅片间距不宜太小，取 2.5~ 3.5 mm 之间较为适宜 。另外，选用防腐效果好的铝制翅片，并在翅片表面进行亲水膜处理，可以增强翅片的抗腐蚀能力。为使整体结构紧凑，往往使得传热面积不够，存在翅片内孔与管外表面贴合不紧密有间隙的现象，造成空气热阻增大，大大降低热效率。在实际运行中普遍存在冷却不足，造成压缩机的排气温度过高，导致功耗上升，气阀、活塞环等各零部件使用寿命缩短等问题。因此需对元件式中冷器进行改造，一般改为列管式。经在 5L-40/ 8 、2D12-100/ 8型空压机上元件式中冷器改为列管式中冷器后，排气温度下降了 20 ℃，整机功耗降低，提高了二级活塞环、气阀的寿命 。由于换热管径增大 (由 f 10 mm变为 f 25 mm)，不易出现阻塞现象，清洗方便，降低了对水质的要求，大幅降低了维修工作量及备件费用。 (3) 蛇管式中冷器 一般是将换热管绕成螺旋形置于水池中，气体在管内流动，具有结构简单、制造方便、冷却效果不受水质的影响等优点，常用于小型压缩机或高压压缩机。徐武杰 采用多排冷却管并列使用的方法既使得总通流面积满足流量要求，又使得冷却水池占地较小，将蛇管式中冷器成功地应用到较大流量的 5L-40/ 8 型压缩机上。与原中冷器相比，冷却效果提高了 40℃，整机功耗降低约 6.65%，使用寿命延长，一台机组一年可节约运行成本9.2万元。 (4) 套管式中冷器是2根同心管套在一起组成的冷却器，管间、管内分别走2种流体，由于通流面积小，流速大，有利于传热，但消耗的金属多，结构笨重，管间清洗困难，用于中、高压体积流量小、换热面积较小的场合。为改善冷却效果，可将套管式中冷器和蛇管式中冷器结合起来使用。颜刚等对L4-5.5/ 40 压缩机上的套管式冷却器进行了改造，将套管式中冷器的套管直径由原来f55mm加大到 f75mm，增加了冷却水流量，在其后增加一台蛇管式中

冷器，进一步改善了冷却效果。排气温度降低了45℃，换热效率提高28.68%，缩短了冷开车启动时间，延长了空分设备的运行周期。

(5) 冷凝排管式中冷器 又称喷淋式中冷器，它由冷凝排管和溢水槽组成，它的主要特点是耐高压、结构简单，但占地面积大，常用在氮肥厂压缩机的高压段上。可通过在排管中安装静态混合器 ，在其它条件不变的前提下，使管内传热膜系数提高3倍，换热器的面积和重量均可减小了1倍，节约大量冷却水和能耗。

4 新型中冷器及其应用 近年来，随着强化传热技术的迅速发展，对压缩机中冷器的研究也不断深入，已有许多新技术、新结构型式应用于工程实际，改善了压缩机中冷器的性能。 4.1板翅式中冷器 板翅式冷却器是一种新型冷却器，它采用先进的真空钎焊制造工艺、牢固可靠。由于板间流体在金属板上的沟槽中不断转折流动，形成湍流，比传统的元件式冷却器传热系数高。它的结构紧凑，单位传热面积的体积仅为普通列管式的1/ 4，重量较轻，为列管式的 1/ 2，且外观精美，安装使用方便，近年来逐渐在小型水冷压缩机上得到广泛应用。由于全无油压缩 机处理、排出的空气纯净无油，不存在油污沉淀阻塞问题，故特别适用于全无油压缩机。 4.2螺旋槽管中冷器 螺旋槽管中冷器是一种以螺旋槽管代替光管的冷却器。螺旋槽管是在光管外轧制成螺旋槽，使管内形成凸筋，增加了管的换热面积，具有使管内外流体沿管壁螺旋运动的趋势。管内凸起部分使流体产生旋转运动和2次分离流，减簿了管内流体边界层，加强湍 流运动，强化流体传热作用，提高换热器效率，与同等情况下的光管式中冷器相比，可以将总传热系数提高35%~40%。中国长城铝业公司采用紫铜螺旋槽管中冷器代替原来的元件式中冷器，经在空压站7Ｌ-100/ 8 型压缩机上应用表明：中冷器出口温度由85℃降为40℃左右，延长了压缩机的检修周期和使用寿命，螺纹管内不易结垢，中冷器使用寿命延长3倍以上，年创经济效益10万元。

4.3波纹管中冷器

波纹管中冷器中采用的是新型不锈钢波纹管，波纹管的波峰与波谷之间存在一定的高度差，导致流速和压力周期性地变化，冷热流体流动时会产生强烈的扰动，而达到充分的湍流，换热系数比普通列管式中冷器高61%。同时，波峰与波谷的存在使其可以轴向伸缩，有效地减小了温差应力，产生的污垢易脱落，具有防垢、自动除垢能力。大庆天然气分公司在2D12型天然气压缩机上将普通列管式中冷器改造为波纹管中冷器，排气温度下降了15~20℃，减少停机次数20次/ a，减少停机时间100 h/ a，并减少设备维护费用，创效益19.96万元/ a。4.4PT管中冷器

花瓣状翅片管(PT管)中冷器是我国华南理工大学化工所自行研制的高效强化传热管冷却器。它的管形适于铜、铝等坯管材上进行加工，在管外壁轧制出尖齿状的整体翅片，很大程度地增大了换热面积，可以大幅减少金属的用量，与光管相比可节省44%[13]。流体流经花瓣翅片时形成三维流动，湍动程度高，减薄了流体的边界层厚度和过渡区域，降低流体的传热热阻，传热及流阻性能均优于绕片管、翅片管。在设计工况及冷却水温、水量相同的条件下，总传热系数较一般管片式中冷器高24%~29%。目前已在D-100/ 7型空压机上得到应用。 【结论】：中冷器是往复活塞式压缩机运行可靠性和经济性的重要保证之一。目前国内压缩机的冷却部件技术仍很落后，急需改造和更新。所以应对中冷器进行深入的研究并把强化新技术应用于工程实际以保证压缩机高效和安全地运行。另外，在中冷器的设计和应用中，应充分考虑到所处理介质的性质，合理经济地选择换热管的材质，并在管径和局部结构上作适当的处理以防止堵塞、泄漏，从而达到预期的效果。 【致谢】感谢张桂菊老师这学期对我们进行创新技术方面能力的培养，让我们对技术创新领域有了深刻的了解。愿张老师在以后的生活中身体健康，万事如意。 参 考 文 献 1 活塞式压缩机设计编写组. 活塞式压缩机设计，北京：机械工业出版社，1974. 2 林培森，曾文良，王世平等. 国外压缩机中间冷却器的失效原因分应用。