第4章翅片管式空气冷却器
4.1空冷器的优点和结构形式
空气冷却器是用环境空气冷却工艺流体的大型换热设备。在炼油厂，发电厂和其他 工业领域中已得到广泛应用。为了强化空气的冷却效果，绝大多数空冷器都采用翅片管 作为传热元件。为了节约水源，用空冷代替水冷已成为普遍的选择,空冷与传统的水冷相 比，其主要优点在于：
① 水日益成为紧缺的资源，我国是一个缺水的国家，在某些能源大省和广大的西北地 区，水资源更为紧张，而空气到处都有,且可免费利用，为解决缺水瓶颈采用空气冷却是唯 一可能的选择。
② 釆用空冷几乎不会对环境造成污染，若釆用水冷，当换热器出现腐蚀和泄漏时，会 对水资源造成污染。
③ 水需要加工和处理，在换热器中水的流动阻力较大，使得水冷的成本较高；而空气 无需经过处理，而且不需要循环使用，因而运行成本较低。
此外,用空气作为冷却介质，与水比较，也有若干不足和特点：
① 空气温度受大气温度及气候的影响很大，经常处于变动状态，不像水温容易控制。
② 空气的入口温度为大气的干球温度，被冷却介质的出口温度不能低于大气干球温 度，其冷却效果受大气温度的影响和制约。
③ 所需要的空气流量很大：空气在20℃时，比热容为1. 0 kJ/(kg •℃).密度为 1.2 kg/m3,而水的比热容为4. 183 kJ/(kg • Y),密度为998 kg/m3o在吸收同等热量和 同样温升的情况下，空气的质量为水的4. 18倍，空气的体积为水的830倍，所以，空冷器 需要大的风量和大的迎风面积。
④ 空气的对流换热系数要远远低于水的对流换热系数，即使在采用翅片管的情况下，
空冷器的传热系数也较低，是水冷器的传热系数的* 倍。
空冷器的结构：
(1)翅片管。为了提高空冷器的传热效果，绝大多数空冷器都要采用翅片管作为空 冷器的传热元件。见第1.2节中与空气换热的翅片管的介绍。由于空气流过翅片时几乎 没有污染和腐蚀,在大多数运行条件下，表面积灰和结垢不严重，所以空冷器所采用的翅 片管的翅片密度很大，翅化比可达20以上。翅片材质多为铝，而基管材质多釆用碳钢或 不锈钢。其中钢管/铝轧制复合翅片管应用最为普遍，其结构如图4. 1. 1所示。
这种翅片管的接触热阻很小，此外，整体的铝翅片将基管与空气完全隔离，再加上加
工容易，制造成本较低等优点，因而成为目前空冷器制造行业的首选。常用的翅片管规格 为:基管外径:。。=20 ~25 mm；翅片高度：1。- 15 mm；翅片间距：3 ~4 mm；翅片厚度: 0. 3 -0. 6 mm；翅化比：15 ~25。
例如:某一常用的翅片管的规格为：基管外径。。=25 mm；翅片高度t=12.5 mm;翅片 间距为3.0 mm；翅片厚度为0.5 mm；翅化比为23。
（2）翅片管束。
由多支翅片管和管箱组成的传热单元称为翅片管束。
如图4. 1.2所示,翅片管束主要由翅片管和连接翅片管的管箱组成，管内介质的进口 和岀口可以置于同一个管箱上，另一管箱作为回转管箱，依靠管箱内部的隔板来实现管程 的划分。
在空气流动方向，一般布置2~6排翅片管，图中所示为2个管程，每2排翅片管为一 个管程。各排翅片管之间是错排排列。管束的外形尺寸为丄（长）x"（宽），为了便于运输 和加工，长度厶一般不超过12 m,而宽度驴不超过3 m为宜。
管箱的结构有多种形式，如图4. 1.3所示。为了便于翅片管的安装和管内的清理，往 往采用丝堵型管箱结构，在管箱的外侧箱板上，针对每个管口，安装一个可拆卸的丝堵。 对于高压介质，可采用圆管型管箱。
图4.1.3管箱结构
(3) 翅片管束和风机的布置形式。
一台空冷器由若干个翅片管束并在一起,构成一个完成的换热器传热结构。空冷器 的翅片管束和风机有两种布置形式：图4. 1.4中，管束水平布置，风机安装在下部，向上鼓 风,称为鼓风式或强制通风式空冷器；图4. 1.5中，管束水平放置，风机安装在上部，向上 引风,称为引风式或诱导通风式空冷器。
图4. 1.5诱导通风式空冷器
两种形式的空冷器各有优缺点:对于强制通风式空冷器，进入风机的空气是没有加热 的冷风，空气密度较大,风机的功率消耗较小，缺点是鼓出去的热风容易被吸回来,产生热 风再循环,需要在空气出口和入口的结构上做仔细的考虑;对于诱导通风式空冷器，进入 风机的风是经过加热后的热风，温度较高，因此风机耗能较大，但是因空气出口的动压较 高,不易产生热风再循环现象，此外，由于风机安装在高处,会给结构设计和安装工艺增加 一定的难度。
在风机型号的选择上有三个重要的参数互相关联，即风量(m3/h),压头(Pa)及功率 (kW)，这些参数要由设计确定。在结构上，往往采用多台风机，要与管束的迎风面合理 地结合在一起。
为了防止日照、雨雪、低温等自然因素对管束及换热的影响，对于强制通风式空冷器, 在翅片管束上部都要装设可调整开度的百叶窗匸
除了图4. 1.4,4. 1.5所示的管束水平放置的形式之外，翅片管束还可以倾斜放置，或 -146 .
图4. 1.6管束倾斜放置 图4. 1.7管束垂直放置
管束水平放置的空冷器特别适用于多管程的情况，而倾斜放置或垂直放置的空冷器, 特别适用于单管程或管内蒸汽的凝结，蒸汽从上部管箱进入，凝液从下部管箱排出。此 外，倾斜放置或垂直放置的空冷器,与水平放置相比，占地面积要减少一些,但对空气绕流 翅片管束的均匀性会有一定影响。
本章重点讲解空冷器的设计计算方法，对于空冷器的结构设计及其细节不作详细论 述。在空冷器的设计中，管外是空气绕流翅片管束的换热，换热系数已有成熟的计算方 法,可按第2章中的有关公式进行计算。然而,管内被冷却的介质会有各种不同的换热情 况，并遵循不同的换热规律，因而有必要根据管内的换热特点对空冷器的设计进行分类。 按管内的换热特点可分为：
(1 )管内介质是单组分或多组分的冷却；
(2) 管内介质是单组分或多组分的冷凝；
(3) 管内介质是单组分或多组分的冷凝和冷却。
管内的相变换热都涉及管内气/液两相流动，由于换热过程的复杂性和计算方法不完 善,给空冷器的设计计算带来很大的困难。
4.2节讲述管内是单相流体冷却时的空冷器设计;在4. 3节中讲述管内凝结过程和 冷却过程同时存在时的空冷器设计计算；在4. 4节中重点讲述空冷器的变工况计算；在 4.5节中推荐一些设计的经验数据和空冷器的相关标准。在各节中都给出了计算例并对 计算结果进行简单讨论。
