Как работает аппарат воздушного охлаждения

Аппарат воздушного охлаждения (АВО) — теплообменник, в котором тепло от технологической среды отводится атмосферным воздухом, а не оборотной водой. Охлаждаемый продукт движется внутри оребрённых труб, а осевые вентиляторы прогоняют через трубный пучок поток наружного воздуха. Ниже разобрано, как работает аппарат воздушного охлаждения: устройство оребрённых секций, роль вентиляторов, способы регулирования теплосъёма, особенности зимней эксплуатации и области применения там, где нет доступа к воде.

Назначение и принцип работы

Аппараты воздушного охлаждения применяют для охлаждения газов и жидкостей, а также для конденсации паровых и парожидкостных сред в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и газовой промышленности. По общим техническим требованиям на этот класс оборудования аппараты рассчитывают на давление среды не более 16,0 МПа либо на работу под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па при температуре среды не выше 400 °C. Климатическое исполнение — У1 и УХЛ1 по системе стандартов климатических исполнений.

Предельная температура 400 °C относится к среде и достигается не для всех исполнений труб. Для биметаллических труб с алюминиевым оребрением большинства материальных исполнений рабочая температура ограничена значением около 300 °C, а для труб с латунной несущей трубой — около 250 °C; более высокие значения допускаются лишь для отдельных исполнений и технологий оребрения. Конкретный предел определяется материальным исполнением секции и подтверждается документацией изготовителя.

Принцип работы основан на принудительном обдуве оребрённых теплообменных секций потоком атмосферного воздуха. Горячий продукт проходит по трубам, отдаёт тепло через их стенку и развитую наружную поверхность оребрения, а воздух, нагнетаемый вентилятором, уносит это тепло в атмосферу. Поскольку коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха на порядки ниже, чем со стороны жидкости или конденсирующегося пара, поверхность со стороны воздуха искусственно развивают оребрением — именно этим объясняется характерный внешний вид секций АВО.

Ключевая идея АВО — компенсировать слабую теплоотдачу воздуха развитой оребрённой поверхностью и большим расходом обдувающего потока.

Основные части аппарата

Конструктивно любой аппарат воздушного охлаждения складывается из трёх функциональных групп:

По требованию проекта аппарат дополняют жалюзи, механизмом поворота лопастей, увлажнителем воздуха, подогревателем и системой автоматического управления. Эти узлы не меняют принцип, но определяют, насколько гибко можно регулировать теплосъём.

Оребрённые трубные секции

Секция — основной функциональный элемент, определяющий теплотехнические характеристики аппарата. Её собирают из оребрённых труб, закреплённых в трубных решётках. Трубы, как правило, располагают по вершинам равностороннего треугольника (шахматная разбивка): такое размещение даёт заметно более высокую теплоотдачу, чем коридорное расположение рядов.

Оребрение и коэффициент оребрения

Развитость наружной поверхности характеризуют коэффициентом оребрения — отношением полной наружной (оребрённой) поверхности трубы к условной наружной поверхности несущей трубы по основанию рёбер. Стандартный ряд условных коэффициентов оребрения — 9; 14,6; 20; для труб из углеродистой стали с навитым оребрением встречается значение 22. В целом применяемые аппараты укладываются в диапазон условного коэффициента оребрения примерно от 8 до 22.

Способы оребрения

В производстве секций АВО преобладают два способа формирования рёбер:

• Накатка (поперечно-винтовое накатывание). На стальную или латунную несущую трубу напрессовывают алюминиевую трубу большего диаметра, после чего на прокатном стане выдавливают из неё спиральные рёбра. Получают биметаллическую оребрённую трубу с плотным контактом слоёв.
• Навивка ленты. На несущую трубу навивают внатяг алюминиевую (реже медную) ленту. Существуют варианты крепления, в том числе с завальцовкой ленты в предварительно накатанную канавку — такое исполнение допускает более высокие рабочие температуры.

Биметаллическая конструкция (стальная несущая труба под давление продукта плюс алюминиевое оребрение со стороны воздуха) сочетает прочность стали с высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью алюминия. Наименьшую металлоёмкость даёт навивка ленты, при которой ребро получается наиболее тонким.

Компоновка секции

Число рядов труб в секции — обычно 4, 6 или 8 (в общем случае от трёх до восьми; для вязких продуктов, где воздушный поток играет второстепенную роль, число рядов может быть увеличено). Число ходов по трубам задаёт схему движения продукта.

Камеры секций и рабочее давление

Конструкция распределительных камер зависит от расчётного давления продукта. По этому признаку различают три исполнения:

Разъёмные камеры удобны для механической очистки труб, но ограничены по давлению. С ростом рабочего давления переходят к цельносварным и далее к трубчатым камерам, жертвуя доступом к внутренней поверхности труб.

Вентиляторы и подача воздуха

Воздух через секции прогоняют осевые вентиляторы с приводом от электродвигателя. Осевая схема выбрана не случайно: аппарату нужен большой объёмный расход воздуха при относительно небольшом перепаде давления, и именно на таком режиме осевое колесо работает эффективнее радиального. Колёса вентиляторов АВО отличаются большим диаметром и сравнительно низкой частотой вращения — это снижает уровень шума и потребляемую мощность при сохранении расхода.

Нагнетательное и вытяжное исполнение

По схеме тяги аппараты делят на два типа:

• Нагнетательные — вентилятор расположен под секцией и нагнетает воздух снизу вверх сквозь трубный пучок. Привод находится в потоке холодного воздуха; на входе в секцию поток турбулизирован.
• Вытяжные — вентилятор установлен над секцией и вытягивает воздух сквозь пучок. Распределение потока по фронту секции получается более равномерным, а сама секция сверху прикрыта диффузором от прямого солнечного нагрева и осадков.

В вытяжном исполнении вентилятор работает в потоке уже нагретого воздуха, что нужно учитывать при выборе двигателя и материалов. В нагнетательном — привод доступнее для обслуживания и находится в более мягких температурных условиях.

Типы и классификация АВО

Аппараты классифицируют прежде всего по пространственному расположению теплообменных секций. От этого зависят занимаемая площадь, удобство компоновки и область применения.

Внутри каждого типа существуют модификации под конкретные задачи — например, аппараты для охлаждения природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, исполнения с двумя вентиляторами, исполнения с узлом рециркуляции. Тип, коэффициент оребрения, условное давление, материальное исполнение, число рядов и ходов, длину труб и климатическое исполнение отражают в условном обозначении аппарата при заказе.

Регулирование теплосъёма

Атмосферный воздух — переменный теплоноситель: его температура и плотность меняются в течение суток и по сезонам. Чтобы держать заданную температуру продукта на выходе, теплосъём аппарата регулируют несколькими способами, которые часто комбинируют.

1. Жалюзи над секцией. Изменяют проходное сечение для воздуха и, соответственно, его расход через пучок. Привод жалюзи бывает ручным, электрическим или пневматическим.
2. Поворот лопастей вентилятора. Изменение угла установки лопастей меняет производительность колеса без изменения частоты вращения; регулировка ручная, пневматическая или автоматическая.
3. Частотное регулирование привода. Преобразователь частоты плавно меняет частоту вращения двигателя, а с ней — расход воздуха и потребляемую мощность.
4. Увлажнение воздуха. Впрыск воды в поток перед секцией снижает температуру воздуха за счёт испарительного охлаждения; приём эффективен в жаркий сухой период.
5. Рециркуляция нагретого воздуха. Часть тёплого воздуха возвращают к секции, повышая температуру обдувающего потока и защищая продукт от переохлаждения.

Увлажнение требует воды подготовленного качества: испаряясь на оребрении, неподготовленная вода оставляет отложения, которые ухудшают теплоотдачу и ускоряют коррозию алюминиевого оребрения.

Зимняя эксплуатация

Зимой задача меняется на противоположную: при низкой температуре наружного воздуха продукт легко переохладить, что грозит ростом вязкости, застыванием или выпадением твёрдой фазы в трубах. Поэтому аппараты для холодного климата снабжают средствами, ограничивающими интенсивность охлаждения.

Рециркуляция нагретого воздуха

По наличию рециркуляции аппараты подразделяют на три группы:

Другие приёмы зимнего режима

• Подогреватель воздуха. Догрев поступающего воздуха перед секцией предотвращает переохлаждение продукта в самые холодные периоды.
• Управление жалюзи. Прикрытие жалюзи сокращает расход воздуха через пучок.
• Отключение вентилятора. При достаточно низкой температуре наружного воздуха охлаждение и конденсация могут поддерживаться естественной конвекцией — с остановленным приводом.

Цель зимнего регулирования — не максимум охлаждения, а удержание температуры продукта в безопасном диапазоне, исключающем застывание и закупорку труб.

Основы теплового расчёта

Тепловой расчёт аппарата строится на уравнении теплопередачи, связывающем отводимый тепловой поток с поверхностью теплообмена и движущей разностью температур.

Особенность АВО в том, что определяющее сопротивление теплопередаче сосредоточено со стороны воздуха. Поэтому эффективность аппарата чувствительна к температуре наружного воздуха: чем она выше, тем меньше движущая разность температур Δtср и тем большая поверхность требуется для отвода той же нагрузки. По этой причине расчётную температуру воздуха для площадки принимают по климатическим данным региона, а не усреднённо.

Коэффициент теплопередачи K и температурный напор Δtср зависят от типоразмера, режима, свойств среды и температуры наружного воздуха; их принимают по методикам теплового расчёта и данным изготовителя, а не по «универсальной» цифре.

Где применяют АВО

Главное преимущество аппаратов воздушного охлаждения — отказ от оборотной воды как охлаждающего теплоносителя. Это определяет и типичные области их применения.

• Безводные и маловодные районы. Там, где нет источника технической воды или её подача экономически и технически нецелесообразна, воздушное охлаждение становится основным решением.
• Нефтепереработка и нефтехимия. Охлаждение и конденсация продуктов в технологических потоках, где важна независимость от системы водооборота.
• Газовая промышленность. Охлаждение природного газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов после его сжатия.
• Химические производства. Охлаждение и конденсация технологических сред в широком диапазоне давлений и температур в пределах, установленных техническими условиями.

Отказ от воды снимает целый пласт эксплуатационных задач: не нужны градирни и насосные оборотной воды, исчезают проблемы водоподготовки, накипеобразования, биообрастания и сброса подогретой воды. Плата за это — зависимость от температуры наружного воздуха и, как следствие, большая поверхность теплообмена и занимаемая площадь по сравнению с водяными теплообменниками при той же нагрузке.

Типичные ошибки и рекомендации

• Расчёт по «среднегодовой» температуре воздуха. Поверхность нужно проверять на неблагоприятный тёплый период, иначе летом аппарат не выйдет на заданную температуру продукта.
• Игнорирование зимнего переохлаждения. Для вязких и застывающих продуктов рециркуляция, подогрев или управление жалюзи должны закладываться на стадии проекта, а не дооснащаться позже.
• Загрязнение оребрения. Пыль, тополиный пух и отложения между рёбрами резко снижают теплоотдачу со стороны воздуха; периодическая чистка секций входит в регламент обслуживания.
• Неподготовленная вода для увлажнения. Приводит к отложениям на оребрении и коррозии; систему увлажнения питают водой требуемого качества.
• Выбор камеры без учёта очистки. При загрязняющихся продуктах разъёмные камеры упрощают механическую очистку труб; при высоком давлении приходится искать компромисс с цельносварным исполнением.

Частые вопросы