空气冷却器

用空气冷却热流体的换热器

空气冷却器（air cooled heat exchanger）是利用空气冷却热流体的换热器。管内的热流体通过管壁和翅片与管外空气进行换热，所用的空气通常由通风机供给。

简介

空气冷却器简称空冷器,以空气作为冷却剂,可用作冷却器，也可用作冷凝器。空冷器主要由管束、支架和风机组成。空气冷却器热流体在管内流动，空气在管束外吹过。由于换热所需的通风量很大，而风压不高，故多采用轴流式通风机（见流体输送机械）。管束的型式和材质对空冷器的性能影响很大。由于空气侧的传热分系数很小，故常在管外加翅片，以增加传热面积和流体湍动，减小热阻。空冷器大都采用径向翅片。空冷器中通常采用外径为25mm的光管，翅片高为12.5mm的低翅管和翅片高为16mm的高翅管。翅片一般用热导率高的材料（最常用的是铝）制成，缠绕或镶嵌到光管上。为强化空冷器的传热效果，可在进口空气中喷水增湿。这样既降低了空气温度，又增大了传热系数。采用空冷器可节省大量工业用水，减少环境污染，降低基建费用。特别在缺水地区，以空冷代替水冷，可以缓和水源不足的矛盾。

结构

优质空气冷却器主要由管束、通风机和构架3部分组成（图1）。管束包括传热管、管箱、侧梁和横梁等。它可按卧式、立式和斜顶式（人字式）3种基本形式布置（图2）。其中,卧式布置传热面积大,空气分布均匀，传热效果好；斜顶布置时,通风机安装在人字中央空间,占地面积小，结构紧凑。为抵消空气侧的给热系数较低的影响，通常采用光管外壁装翅片的管子。翅片管作为传热管,可以扩大传热面积。翅片管分层排列,其两端用焊接或胀接方法连接在管箱上。排管一般为3～8排。管束系列尺寸最长达12米。光管外径常为25毫米和38毫米,翅片高度一般取12～15毫米,管束宽为100～3000毫米。翅片管是空气冷却器的核心元件，其形式和材料直接影响设备性能。管子可用碳钢、铜、铝和不锈钢等制成；翅片材料根据使用环境和制造工艺来确定，大多用工业纯铝，在防腐蚀要求很高或在制造工艺条件特殊的情况下也采用铜或不锈钢。翅片可按横向或纵向排列。翅片管的基本形式（图3）有：绕片式、镶片式、轧片式、套片式、焊片式、椭圆管式、紊流式（包括轮辐式、开槽形和波纹形等）。管箱的结构主要有法兰式、管堵式和集合管式（图4）。一般前者用于中低压，后两者用于高压。为适应管束的热膨胀，一端管箱不固定，容许沿管长方向位移。通风机通常采用轴流通风机。

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通风方式

通风有鼓风和引风两种方式。①鼓风式：空气先流经通风机后流入管束。②引风式：空气先流经管束后流入通风机。前者操作费用较经济，产生的湍流对传热有利，使用较多。后者气流分布均匀，有利于温度精确控制，噪声小，是发展的方向。热流体出口温度主要靠调节通过管束的风量来控制，即调节叶片的倾角、通风机转速和百叶窗的开启程度等。对冬季易凝、易冻的流体，可采用热风循环或蒸汽加热的办法调节流体出口温度。

分类及特点

空冷器按使用场合不同，可分为电厂空冷器和石化空冷器。按冷却方式，可分为干式、湿式、以及干－湿联合式空冷器。

湿式空冷器

湿式空冷器根据喷水方式，可分为表面蒸发型、增湿型和喷淋型3种，在石化工业中以后两种为主。表面蒸发式空冷器是一种利用管外水膜蒸发来强化传热、由光管组成的空冷装置。增湿型湿式空冷器只适用于相对湿度低于50%的干燥、炎热地区，因为干空气相对湿度越小，增湿后降温越多，冷却效果越显著。喷淋型湿式空冷器是直接在翅片管束上喷雾状水，利用水分蒸发的潜热交换和空气被增湿降温来强化传热，同时，水雾的存在可使空冷器入口空气温度接近环境湿球温度，提高了传热平均温差，在3%喷淋量下换热系数可比干式空冷器提高2 ～ 4倍。

总之，相较于干式空冷器，在炎热的夏季，环境气温较高时，应用湿式空冷器更为有利。但是，湿式空冷器在管内流体温度超过70℃时，就极易结垢，且管外空气阻力损失较大，约为干式空冷的1． 4倍。管束面积不能太大，故单元装置的相对面积较小，价格相对较高。

干式空冷器

干式空冷器仅依靠空气温升的显热方式来交换热量，靠翅片管和风机强制循环强化传热。操作简单，使用方便，但由于其冷却温度取决于空气的干球温度，所以一般只能把管内热流体冷却到高于环境温度15 ～ 20℃。

因此，对于我国南方湿热地区，湿式空冷器蒸发效果不好，一般主要用干式空冷器。从热量传递角度讲，空气的比热仅为水的比热的1 /4，空气的密度也远小于水的密度，因此，若传递相同的热量，冷却介质温升相同，所需要的空气量将是水的4倍，相比于水冷却器，干式空冷器的体积是很大的。最关键的是，空气侧的换热系数很低，约为50 ～ 60W/(m2·℃) ，导致光管空冷器的总传热系数很低，较水冷却器的传热系数约低10 ～30倍，为抵消空气侧换热系数较低的影响，空冷器一般均采用扩展表面的翅片管，其翅化比大致为10 ～ 24倍。也有采用板式传热元件的板式空冷器，因为板片形成的流道断面形状沿流动方向不断变化，增强了扰动，在低雷诺数下具有高的传热效率和低的压降，特别适用于石化行业大型装置 ( 如大型乙烯成套设备等)的空冷器，但是由于板式空冷器的流道狭窄，在我国北方寒冷的冬季，容易引起流道内被冷却介质凝结而堵塞流道，并且易结垢从而堵塞流道，又由于加工工艺多为全焊式结构，局部损坏或堵塞时，必须整台更换空冷器，造成很大浪费。所以，翅片管仍然是空冷器的主流传热元件，空冷器的本质可以看为是空气－热媒的管翅式换热器，强化空气冷却器传热性能的关键是研制低接触热阻、高传热效能和流动阻力小的翅片管。当换热器内部为压力较高的流体时，管外加肋，就相当于用不承压的廉价肋片取代承压的优质管材，经济效果显著。

干－湿联合式空冷器

干－湿联合式空冷器，就是将干式空冷器与湿式空冷器组合集成。组合的一般原则是，在工艺流体高温区用干式空冷器，起气体冷凝的作用;在低温区使用湿式空冷器，起冷凝液冷却的作用。总之，选择哪种形式的空冷器，要根据当地的大气温度、风速及相对湿度等环境气候条件，结合介质最终冷却温度等换热工艺要求，并兼顾经济性，进行综合考量确定。

翅片管

基本形式

空气冷却器翅片管的基本形式有：套片式、绕片式、轧片式、焊片式、椭圆管式、镶片式、紊流式、轮辐式、开槽形式波纹形式。空气冷却器的管箱结构主要有法兰式、管堵式和集合管式。一般法兰式用于中低压，管堵式和集合管式用于高压。

翅片管的

加工工艺

空冷器翅片管的制造工艺主要有整体成形、焊接、高频焊、机械连接。整体成形的翅片与管子一体，传热、机械和热膨胀性能较好，但制造成本高，适用于低翅片管( 即螺纹管)。

焊接翅片可将不同材料的翅片和管焊接在一起，制造简易，但焊缝中的残渣不利于传热，必须保证焊接质量。高频焊翅片利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片接触处产生高温而部分融化，再通过加压使翅片与管子连成一体，连接过程中无焊剂、焊料，制造简单，性能优良，是工业应用最多的一种工艺。

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应用

空气（风）冷却器主要用于行走机械（挖掘机、装卸机、叉车、起重机、联合收割机、筑路机械、工程机械等），用风冷强制将工作介质冷却到要求温度。

清洗

因冷却水大多数含有钙、镁离子和酸式碳酸盐。当冷却水流经金属表面时，有碳酸盐的生成。另外，溶解在冷却水中的氧还会造成金属腐蚀，形成铁锈。由于锈垢的产生，冷凝器换热效果下降。严重时不得不在壳体外喷淋冷却水，结垢严重时会堵塞管子，使换热效果失去作用。研究的数据显示水垢沉积物对热传输的损失影响巨大，随着沉积物的增加会造成能源费用的加大。即使很薄的一层水垢就要增加设备中结垢部分40%以上的运行费用。保持冷却通道中不含矿物沉积物可以很好的提高功效、节约能源、延长设备的使用寿命，同时节约生产时间和费用。

长期以来传统的清洗方式如机械方法（刮、刷）、高压水、化学清洗(酸洗)等在对设备清洗时出现很多问题：不能彻底清除水垢等沉积物，酸液对设备造成腐蚀形成漏洞，残留的酸对材质产生二次腐蚀或垢下腐蚀，最终导致更换设备，此外，清洗废液有毒，需要大量资金进行废水处理。

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