椭圆翅片管空冷器在乙烯工业中的应用
作者： 李 权1, 莫才颂2
(1. 茂港电力设备厂，广东 茂名 525000；2. 茂名学院机电工程学院，广东 茂名 525000)
摘要:通过对圆形翅片管和椭圆翅片管的性能分析比较，选取椭圆翅片管对乙烯工业中的圆形翅片管空冷器进行设计改造，达到提高传热效率、降低流动阻力，节能降耗、提高效益目的。根据改造的结果以及在实际中应用，采用椭圆翅片管空冷器在压缩气体的冷却上各项参数均优于原圆管翅片管空冷器，达到了要求。证明椭圆翅片管空冷器在乙烯工业中有很好的应用价值，在其它类似的场合中也值得应用推广。
关键词:空冷器；椭圆翅片管；传热；阻力
在乙烯工业生产中，普遍使用压缩气体来输送物料。例如聚丙烯、全密度乙烯的生产，就是使用高压氮气来输送物料的。
氮气是一种稳定的气体，对于大多数材料都没有腐蚀性，且制造方便，可从空气中直接分离出来。
氮气一般要通过压缩机增加到较高压力，使其输送能力增强。气体受压缩后，由于熵增而使温度升高。高温气体对乙烯物料是有损害的，如聚丙烯的溶点大致为260 C，在160 C左右则会软化而互相粘结，容易使管道堵塞，影响下一级生产。还有的物料在高温下会氧化变色，影响质量。故增压后的气体要用冷却器来冷却。气体冷却器通称空冷器，空冷器不仅要求传热性能好，而且流动阻力要低，因为阻力大会使气体压力降低，影响到物料的输送。
由以上情况可知，乙烯工业中的压缩机后所用空冷器的性能要求为：传热性能好，阻力低，强度、防腐等其它方面要求不高。故应从各种气体冷却器中择优选用。目前空冷器的传热元件大部分采用翅片管。翅片管是空冷器的核心元件，现代空冷器的出现和发展，取决于翅片管的发展。
1 翅片管的分类与比较
根据翅片管的翅片和管的形式，翅片管一般可分为20多种，其中最常用的是圆形翅片管。各种翅片管的性能差别很大，为了确定翅片管的性能，国内外均作了大量的试验和研究。最著名的是卡兰努斯（Caranus）和卡德纳（Candner），他们对15种翅片管作出了23种性能评价，并根据实验数据逐项打分，比较全面的对各种翅片管进行了排位。在性能表中我们发现椭圆翅片管虽然综合指数仅排在第7位，但其传热性能却高达90分，远高于圆形翅片管，根据德国GEA公司的生产经验数据，椭圆翅片管比圆形翅片管管外压降可减少30%。见图1和图2（图中I为圆形翅片管，II为椭圆翅片管）。
与圆形翅片管相比，椭圆翅片管有如下优点：
（1）与同样横截面的圆管相比，其水利直径小，因而管内传热系数较大，其管后形成的涡流小，因而管外压降可减少30%；
（2）与同样横截面的圆管相比，其表面积约大15%，管外传热系数大25%;
（3）翅片效率高，在同样条件下，圆管的翅片效率为74%，而椭圆管为82%（重量平均值）；
（4）设计紧凑，占地面积只有圆管的80%。
由此可见，椭圆翅片管非常适合乙烯工业中的压缩机后所用空冷器的性能要求。
Btu/英寸 .h. f
图1 椭圆片翅管与圆形翅片管的阻力比较 图2 椭圆翅片管与圆形翅片管的传热比较
2 改造的设计计算
受茂名石化乙烯工业公司的委托，茂名市茂港电力设备厂选用椭圆翅片管作为空冷器的换热元件。对乙烯公司的多台圆管翅片管空冷器进行了改造，均取得了理想的效果。下面以聚丙烯车间的E-504氮气冷却器为例，对设计方案予以说明。
2.1 设计参数
氮气： 进/出口温度134/55℃ 流量
冷却水： 进口温度 33℃ 流量
2.2 冷却器的结构参数
迎风面：
换热管：椭圆翅片管
基管： 、 铜管
翅片： 、T2铜片
换热管排列：横向n1：18排，纵向n2：7排
换热管长L：670mm 换热管数n：126根
2.3 传热计算
（1）管外换热系数的计算
94.5℃时，氮气的物性参数：
最窄截面处风速：
（2）管内换热系数的计算
水温36.6℃时：
水最窄截面处流速：
（3）总传热系数的计算
每米管内表面积：
每米管外表面积：
污垢热阻
（4）所需传热面积的计算：
传热量：
水出口温度 的计算：
对数平均温差 的计算：
取安全系数1.30，则
2.4 阻力计算
（1）气侧阻力计算：
根据试验经验公式：
（2）水侧阻力计算：
管程阻力 包括三部分：沿程磨擦阻力 ，回弯阻力 和进、出口接管局部阻力 。
，因此满足设计要求。
3 改造前后的运行情况对比
E-504氮气冷却器于1998年用椭圆翅片管改造后投运至今，效果非常显著。在夏天水温34 C的情况下，仍能保证出口氮气温度在55 C以下（改造前为80 C），确保机组满负荷生产。同时阻力只有原来的70%，不仅氮气的输送能力大大提高，而且节约了风机用电，节能降耗（见表1）。可见其性能大大优于原圆管翅片管空冷器，达到了设计要求。
表1 改造前后的运行参数
空气流量 冷却水温度 进气温度 出气温度 进气压力 出气压力
改造前 3537M /h 33ºC 134ºC 80ºC 0.85MPa 0.75MPa
改造后 3566M /h 34ºC 134ºC 54ºC 0.85MPa 0.78MPa
之后，我们又用椭圆翅片管对其它几套装置如E-8019、E-8050等进行了改造，均取得了理想效果，其运行参数与表1相近。可见在乙烯工业中的类似工况空冷器，都可以用椭圆翅片管进行改造以改善其性能。
4 结论
改造结果表明，椭圆翅片管空冷器换热效率高，流动阻力低，高效低阻、节能降耗。在压缩气体的冷却上比圆形翅片管有具大的同比优越性，特别是使用场合较多的乙烯工业中，更值得推广应用。
参考文献：
[1]史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M].南京:东南大学出版社,1990.
[2]杨世铭,陶文铨.传热学[M]. 北京：高等教育出版社,1998.
[3]黄鸿鼎,李修伦等.换热器[M]. 北京：烃加工出版社,1990.
[4]毕明树.工程热力学[M]. 北京：化学工业出版社,2001.
The Application of Cooling Machine based on Elliptical Wing Tube in Ethylene Industry
LI-Quan1 ， MO CAI-Song2
(1. The Electric Power Equipment Factory of Maogang 525000, China; 2. Maoming Collage, Maoing 525000, China)
Abstract: By comparing and analyzing the capability of the elliptical wing tube and the circular one, we choose the elliptical wing tube to reconstruct the original cooling machine based on circular tube for better driving efficiency and lower flowing resistance. All these will help to save the energy and improve the economic benefit. The experiment and application results show us all new parameters in the cooling process of compressing air used in the cooling machine based on elliptical wing tube are better than those based on the circular one. This proves that there are many application values about the cooling machine based on elliptical wing tube in the ethylene industry. And it is also worthy to be extended in other similar situations.
Key Words: Elliptical wing tube; Cooling machine; Driving heat; Resistance