以CFD評估再循環熱空氣對空冷器的影響

— 工程事業群 中鼎公司 設備設計部 主任工程師 陳仲正

CTCI中鼎集團為持續提升全球專案執行成效，針對空冷器（air cooled heat exchanger）此一廣泛應用於各煉油廠、石化廠、電廠等廠區之熱交換設備，為達成其效能最佳化，於2017年與台灣科技大學展開為期一年的產學合作，應用數值分析軟體CFD（Computational Fluid Dynamics），結合CTCI之專案實務資訊並借鑒相關文獻，模擬空冷器於不同環境的空氣循環情況，找出造成熱氣回流的成因，以做出最合適的配置規劃及改善方案，確保其發揮最大功效，並將研究成果標準化，協助相關專案工作執行，提供全球客戶「最值得信賴」的工程服務。

產學合作 達成空冷器效能最佳化

空冷器是廣泛應用在石油、石化、天然氣等工業中，作為冷卻目的的一種熱交換設備，主要由管束、管箱、風機、百葉窗和支架等部件所組成（圖1）。有別於傳統殼管式熱交換器搭配冷卻水塔所組成的水冷式系統，其以環境空氣做為主要冷卻媒介，空氣在管束外吹過，將管內較高溫的製程流體冷卻至所需要的操作溫度，不需耗費大量工業用水，適用於地理環境受限制、缺乏水資源或有節水需求的情況。

中鼎集團在執行國際工程專案時，常面臨業主要求對空冷器所在位置進行流場分析，以檢驗所規劃的設置高度及方位，是否會導致排出熱氣產生回流，導致空冷器效能降低，進而影響到系統的整體操作性能。

然而，導致熱氣回流現象的因素相當多，舉凡環境空氣溫度、外界風向/風速、鄰近建物高度/分佈等皆為主要的影響因素；其中，環境風力/風向為人力所不可及的大自然力量，實為不可控制的因素。要如何從中找出最合適的配置規劃，提供改善措施，確保在不同季節時令的風向與風速作用之下，皆可確保整個系統熱交換效率滿足操作需求，是一個工程設計的課題。

CFD模擬分析流程

以CFD（Computational Fluid Dynamics）模擬空氣循環情況，藉由計算出完整的流場特性（如速度與溫度），接著以此製成各種圖表進行流場可視化（圖2），仔細分析並判定造成循環熱空氣的成因；據此以提供各種可能的改善建議，並進一步再建立相對應之數值模型幾何，系統性地來模擬判定其改善成效，如此反覆找出重要參數之影響率，即能避免熱回流現象的發生，達成設備操作效能最大化的成效。

利用模擬分析了解空冷器的性能與特性後，根據不同季節或配置方案的特性，將其代入環境流場進行整體數值模擬分析，以此模擬出實際流場後，針對熱空氣對於整體空間的流場進行研判，並就熱回流問題加以改善，達成空冷器使用效能最佳化。完整的模擬分析流程如圖3所示。

廠域模型建立

在整體廠域中，各個建築物本身的位置、高度、牆面大小、進出風開口方向、相對位置都會互相影響。同理，對於空冷器也會有間接影響，環境邊界條件先受到建築物的影響，進而再影響到空冷器的操作性能。由於熱空氣會因為熱浮力與壓力而有垂直運動，而在空冷器將氣體向上排出的同時，會受到環境側風的吹動，因此必須同時考慮邊界條件有外界流動風向時的影響。

以東南亞某煉油廠統包工程專案作為工程分析案例。如圖4所示，圖中Main Building M為此專案其中一座空冷器主要放置建築，該建築為鋼骨結構架設，其四周圍側面並未有實體牆面，多為對外開放性空間，僅樓層與樓層間設置有隔柵板（grating）樓層面，樓層面產生的過風阻抗亦反映於邊界條件設定。

建立分析模型時，除了空冷器所在的主建築Main Building M之外，周圍較大且具有影響整體流場的建築物，亦須一併建置加入模擬探討，例如 Side Building A與Side Building B此兩棟建築物，因為具有實體牆面無法讓空氣自由流動，故對流場影響較大；除此以外剩餘的小型建築物，對於流場影響小則暫且忽略，以減少模擬資源負荷，並排除不必要且會影響整體模擬快速收斂化的可能因素。

數值分析結果

一、流場
完成穩態流場邊界條件設定以及紊流模組計算求解後，即可依據模擬結果製作圖面供流場可視化觀察。空冷器出風最理想狀況為垂直向上，但由圖5流場向量示意圖可看出，其內風扇出風為一散射狀出風，靠近出口面，風速快截面積小；而越遠離出口，風速較慢截面積較大。而當兩風扇距離過近時，彼此散射狀出風流線會受到影響，進而產生亂流，甚至排出之熱風再由鄰近空冷器二次吸入，熱回流短循環現象即產生。

二、溫度場
為將CFD數值分析結果量化，藉由已知流場現象，進而透過能量條件的代入即可觀察溫度變化，可得建築物週圍溫度分布圖，如圖6所示。溫度場圖對照流場圖可看出，當流場有互相擾動、亂流、渦漩產生時，該區域多半在溫度觀測上的溫升較明顯，特別是在該區域平均流速較慢時，堆積的熱量散之不去，溫升現象尤為明顯。

參數影響評估

藉由不同控制參數條件的代入，透過溫度場狀態的變化，即可觀察空冷器性能轉變的趨勢，藉以作為輔助設置規劃/改善的參考資訊：

一、外界風速評估
各種側風風速情況與無風狀態做比較，從圖7中可見到溫度影響的變化，在低風速時，出/入風口的溫度漸升，隨著風速持續上升，溫度上升趨勢卻見反轉並趨向穩定。而空冷器散熱效能變化，則在一區間範圍裡呈現小幅度的波動，如圖8所示。

二、空冷器相鄰bay的間距評估
空冷器出風口比鄰而立，風扇所排出的熱風可能會相互衝擊而造成混亂流場，增加短循環回吸的發生機會。如圖9的流場向量圖所示，若能適度控制空冷器bay與bay的間距，可預期達到更好的散熱效果。

三、空冷器陳列方向與外界風向的夾角評估
規劃空冷器陳列方向時，應參考風玫瑰圖（地區風向/風速的分布百分比圖），來取得設備操作最有利條件，以避免上游處出風口所排出的氣體被下游風扇吸入，進而增加短循環現象機率。有關外界風向對空冷器出口均溫影響，如圖10所示。

四、輔助擋板設置
空冷器出/入風口輔助擋板的設置，可讓bay與bay之間排出的熱風，不再相互衝擊形成混亂流場，進而減少短循環現象，達成更好的散熱效果，評估結果如圖11所示。

結 語

中鼎集團透過與台灣科技大學的產學合作，以CFD模擬空氣循環情況，藉由計算出完整的流場特性（如速度與溫度），製成各種圖表進行流場可視化，將空冷器的配置，依不同環境變數作系統化的研究，評估各種改善方案的可能性與可行性。此成果可用應於專案執行前、中、後期的規劃、審閱、改善等作業之參考，使空冷器發揮出最大功效；彙整模擬成果所建立之Guideline，更可作為中鼎集團於各空冷器流場現象評估的設計參考文件，有效管理並解析承包廠商的流場分析結果。