第4章翅片管式空氣冷卻器
4.1空冷器的優點和結構形式
空氣冷卻器是用環境空氣冷卻工藝流體的大型換熱設備。在煉油廠，發電廠和其他 工業領域中已得到廣泛應用。為了強化空氣的冷卻效果，絕大多數空冷器都采用翅片管 作為傳熱元件。為了節約水源，用空冷代替水冷已成為普遍的選擇,空冷與傳統的水冷相 比，其主要優點在于：
① 水日益成為緊缺的資源，我國是一個缺水的國家，在某些能源大省和廣大的西北地 區，水資源更為緊張，而空氣到處都有,且可免費利用，為解決缺水瓶頸采用空氣冷卻是唯 一可能的選擇。
② 釆用空冷幾乎不會對環境造成污染，若釆用水冷，當換熱器出現腐蝕和泄漏時，會 對水資源造成污染。
③ 水需要加工和處理，在換熱器中水的流動阻力較大，使得水冷的成本較高；而空氣 無需經過處理，而且不需要循環使用，因而運行成本較低。
此外,用空氣作為冷卻介質，與水比較，也有若干不足和特點：
① 空氣溫度受大氣溫度及氣候的影響很大，經常處于變動狀態，不像水溫容易控制。
② 空氣的入口溫度為大氣的干球溫度，被冷卻介質的出口溫度不能低于大氣干球溫 度，其冷卻效果受大氣溫度的影響和制約。
③ 所需要的空氣流量很大：空氣在20℃時，比熱容為1. 0 kJ/(kg •℃).密度為 1.2 kg/m3,而水的比熱容為4. 183 kJ/(kg • Y),密度為998 kg/m3o在吸收同等熱量和 同樣溫升的情況下，空氣的質量為水的4. 18倍，空氣的體積為水的830倍，所以，空冷器 需要大的風量和大的迎風面積。
④ 空氣的對流換熱系數要遠遠低于水的對流換熱系數，即使在采用翅片管的情況下，
空冷器的傳熱系數也較低，是水冷器的傳熱系數的* 倍。
空冷器的結構：
(1)翅片管。為了提高空冷器的傳熱效果，絕大多數空冷器都要采用翅片管作為空 冷器的傳熱元件。見第1.2節中與空氣換熱的翅片管的介紹。由于空氣流過翅片時幾乎 沒有污染和腐蝕,在大多數運行條件下，表面積灰和結垢不嚴重，所以空冷器所采用的翅 片管的翅片密度很大，翅化比可達20以上。翅片材質多為鋁，而基管材質多釆用碳鋼或 不銹鋼。其中鋼管/鋁軋制復合翅片管應用最為普遍，其結構如圖4. 1. 1所示。
這種翅片管的接觸熱阻很小，此外，整體的鋁翅片將基管與空氣完全隔離，再加上加
工容易，制造成本較低等優點，因而成為目前空冷器制造行業的首選。常用的翅片管規格 為:基管外徑:。。=20 ~25 mm；翅片高度：1。- 15 mm；翅片間距：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規格為：基管外徑。。=25 mm；翅片高度t=12.5 mm;翅片 間距為3.0 mm；翅片厚度為0.5 mm；翅化比為23。
（2）翅片管束。
由多支翅片管和管箱組成的傳熱單元稱為翅片管束。
如圖4. 1.2所示,翅片管束主要由翅片管和連接翅片管的管箱組成，管內介質的進口 和岀口可以置于同一個管箱上，另一管箱作為回轉管箱，依靠管箱內部的隔板來實現管程 的劃分。
在空氣流動方向，一般布置2~6排翅片管，圖中所示為2個管程，每2排翅片管為一 個管程。各排翅片管之間是錯排排列。管束的外形尺寸為丄（長）x"（寬），為了便于運輸 和加工，長度厶一般不超過12 m,而寬度驢不超過3 m為宜。
管箱的結構有多種形式，如圖4. 1.3所示。為了便于翅片管的安裝和管內的清理，往 往采用絲堵型管箱結構，在管箱的外側箱板上，針對每個管口，安裝一個可拆卸的絲堵。 對于高壓介質，可采用圓管型管箱。
圖4.1.3管箱結構
(3) 翅片管束和風機的布置形式。
一臺空冷器由若干個翅片管束并在一起,構成一個完成的換熱器傳熱結構。空冷器 的翅片管束和風機有兩種布置形式：圖4. 1.4中，管束水平布置，風機安裝在下部，向上鼓 風,稱為鼓風式或強制通風式空冷器；圖4. 1.5中，管束水平放置，風機安裝在上部，向上 引風,稱為引風式或誘導通風式空冷器。
圖4. 1.5誘導通風式空冷器
兩種形式的空冷器各有優缺點:對于強制通風式空冷器，進入風機的空氣是沒有加熱 的冷風，空氣密度較大,風機的功率消耗較小，缺點是鼓出去的熱風容易被吸回來,產生熱 風再循環,需要在空氣出口和入口的結構上做仔細的考慮;對于誘導通風式空冷器，進入 風機的風是經過加熱后的熱風，溫度較高，因此風機耗能較大，但是因空氣出口的動壓較 高,不易產生熱風再循環現象，此外，由于風機安裝在高處,會給結構設計和安裝工藝增加 一定的難度。
在風機型號的選擇上有三個重要的參數互相關聯，即風量(m3/h),壓頭(Pa)及功率 (kW)，這些參數要由設計確定。在結構上，往往采用多臺風機，要與管束的迎風面合理 地結合在一起。
為了防止日照、雨雪、低溫等自然因素對管束及換熱的影響，對于強制通風式空冷器, 在翅片管束上部都要裝設可調整開度的百葉窗匸
除了圖4. 1.4,4. 1.5所示的管束水平放置的形式之外，翅片管束還可以傾斜放置，或 -146 .
圖4. 1.6管束傾斜放置 圖4. 1.7管束垂直放置
管束水平放置的空冷器特別適用于多管程的情況，而傾斜放置或垂直放置的空冷器, 特別適用于單管程或管內蒸汽的凝結，蒸汽從上部管箱進入，凝液從下部管箱排出。此 外，傾斜放置或垂直放置的空冷器,與水平放置相比，占地面積要減少一些,但對空氣繞流 翅片管束的均勻性會有一定影響。
本章重點講解空冷器的設計計算方法，對于空冷器的結構設計及其細節不作詳細論 述。在空冷器的設計中，管外是空氣繞流翅片管束的換熱，換熱系數已有成熟的計算方 法,可按第2章中的有關公式進行計算。然而,管內被冷卻的介質會有各種不同的換熱情 況，并遵循不同的換熱規律，因而有必要根據管內的換熱特點對空冷器的設計進行分類。 按管內的換熱特點可分為：
(1 )管內介質是單組分或多組分的冷卻；
(2) 管內介質是單組分或多組分的冷凝；
(3) 管內介質是單組分或多組分的冷凝和冷卻。
管內的相變換熱都涉及管內氣/液兩相流動，由于換熱過程的復雜性和計算方法不完 善,給空冷器的設計計算帶來很大的困難。
4.2節講述管內是單相流體冷卻時的空冷器設計;在4. 3節中講述管內凝結過程和 冷卻過程同時存在時的空冷器設計計算；在4. 4節中重點講述空冷器的變工況計算；在 4.5節中推薦一些設計的經驗數據和空冷器的相關標準。在各節中都給出了計算例并對 計算結果進行簡單討論。
