空氣冷卻器[用空氣冷卻熱流體的換熱器]

空氣冷卻器（air cooled heat exchanger）是利用空氣冷卻熱流體的換熱器。管內的熱流體通過管壁和翅片與管外空氣進行換熱，所用的空氣通常由通風機供給。

簡介

空氣冷卻器

空氣冷卻器簡稱空冷器,以空氣作為冷卻劑,可用作冷卻器，也可用作冷凝器。空冷器主要由 管束、 支架和 風機組成。空氣冷卻器熱流體在管內流動，空氣在管束外吹過。由於換熱所需的通風量很大，而風壓不高，故多採用軸流式通風機（見流體輸送機械）。 管束的型式和材質對空冷器的性能影響很大。由於空氣側的 傳熱分係數很小，故常在管外加翅片，以增加傳熱面積和流體湍動，減小熱阻。空冷器大都採用徑向翅片。空冷器中通常採用外徑為25mm的光管，翅片高為12.5mm的低翅管和翅片高為16mm的高翅管。翅片一般用熱導率高的材料（最常用的是鋁）製成，纏繞或鑲嵌到光管上。為強化空冷器的傳熱效果，可在進口空氣中噴水增濕。這樣既降低了空氣溫度，又增大了傳熱係數。採用空冷器可節省大量工業用水，減少環境污染，降低基建費用。特別在缺水地區，以空冷代替水冷，可以緩和水源不足的矛盾。

結構

空氣冷卻器

優質 空氣冷卻器主要由 管束、 通風機和 構架3部分組成（圖1） 。管束包括 傳熱管、 管箱、 側梁和 橫樑等。它可按 臥式、立式和 斜頂式（人字式）3種基本形式布置（圖2）。其中,臥式布置傳熱面積大,空氣分布均勻，傳熱效果好；斜頂布置時,通風機安裝在人字中央空間,占地面積小，結構緊湊。為抵消空氣側的給熱係數較低的影響，通常採用光管外壁裝翅片的管子。翅片管作為傳熱管,可以擴大傳熱面積。翅片管分層排列,其兩端用焊接或脹接方法連線在管箱上。排管一般為3～8排。管束系列尺寸最長達12米。光管外徑常為25毫米和38毫米,翅片高度一般取12～15毫米,管束寬為100～3000毫米。翅片管是空氣冷卻器的核心元件，其形式和材料直接影響設備性能。管子可用碳鋼、銅、鋁和不鏽鋼等製成；翅片材料根據使用環境和製造工藝來確定，大多用工業純鋁，在防腐蝕要求很高或在製造工藝條件特殊的情況下也採用銅或不鏽鋼。翅片可按橫向或縱向排列。翅片管的基本形式（圖3）有：繞片式、鑲片式、軋片式、套片式、焊片式、橢圓管式、紊流式（包括輪輻式、開槽形和波紋形等）。管箱的結構主要有法蘭式、管堵式和集合管式（圖4）。一般前者用於中低壓，後兩者用於高壓。為適應管束的熱膨脹，一端管箱不固定，容許沿管長方向位移。通風機通常採用軸流通風機。

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通風方式

通風有鼓風和引風兩種方式。①鼓風式：空氣先流經通風機後流入管束。②引風式：空氣先流經管束後流入通風機。前者操作費用較經濟，產生的湍流對傳熱有利，使用較多。後者氣流分布均勻，有利於溫度精確控制，噪聲小，是發展的方向。熱流體出口溫度主要靠調節通過管束的風量來控制，即調節葉片的傾角、通風機轉速和百葉窗的開啟程度等。對冬季易凝、易凍的流體，可採用熱風循環或蒸汽加熱的辦法調節流體出口溫度。

分類及特點

空冷器按使用場合不同，可分為電廠空冷器和石化空冷器。按冷卻方式，可分為乾式、濕式、以及乾－濕聯合式空冷器。

濕式空冷器

濕式空冷器根據噴水方式，可分為表面蒸髮型、增濕型和噴淋型3種，在石化工業中以後兩種為主。表面蒸髮式空冷器是一種利用管外水膜蒸發來強化傳熱、由光管組成的空冷裝置。增濕型濕式空冷器只適用於相對濕度低於50%的乾燥、炎熱地區，因為乾空氣相對濕度越小，增濕後降溫越多，冷卻效果越顯著。噴淋型濕式空冷器是直接在翅片管束上噴霧狀水，利用水分蒸發的潛熱交換和空氣被增濕降溫來強化傳熱，同時，水霧的存在可使空冷器入口空氣溫度接近環境濕球溫度，提高了傳熱平均溫差，在3%噴淋量下換熱係數可比干式空冷器提高2 ～ 4倍。

總之，相較於乾式空冷器，在炎熱的夏季，環境氣溫較高時，套用濕式空冷器更為有利。但是，濕式空冷器在管內流體溫度超過70℃時，就極易結垢，且管外空氣阻力損失較大，約為乾式空冷的1． 4倍。管束面積不能太大，故單元裝置的相對面積較小，價格相對較高。

乾式空冷器

乾式空冷器僅依靠空氣溫升的顯熱方式來交換熱量，靠翅片管和風機強制循環強化傳熱。操作簡單，使用方便，但由於其冷卻溫度取決於空氣的幹球溫度，所以一般只能把管內熱流體冷卻到高於環境溫度15 ～ 20℃。

因此，對於我國南方濕熱地區，濕式空冷器蒸發效果不好，一般主要用乾式空冷器。從熱量傳遞角度講，空氣的比熱僅為水的比熱的1 /4，空氣的密度也遠小於水的密度，因此，若傳遞相同的熱量，冷卻介質溫升相同，所需要的空氣量將是水的4倍，相比於水冷卻器，乾式空冷器的體積是很大的。最關鍵的是，空氣側的換熱係數很低，約為50 ～ 60W/(m2·℃) ，導致光管空冷器的總傳熱係數很低，較水冷卻器的傳熱係數約低10 ～30倍，為抵消空氣側換熱係數較低的影響，空冷器一般均採用擴展表面的翅片管，其翅化比大致為10 ～ 24倍。也有採用板式傳熱元件的板式空冷器，因為板片形成的流道斷面形狀沿流動方向不斷變化，增強了擾動，在低雷諾數下具有高的傳熱效率和低的壓降，特別適用於石化行業大型裝置 ( 如大型乙烯成套設備等)的空冷器，但是由於板式空冷器的流道狹窄，在我國北方寒冷的冬季，容易引起流道內被冷卻介質凝結而堵塞流道，並且易結垢從而堵塞流道，又由於加工工藝多為全焊式結構，局部損壞或堵塞時，必須整台更換空冷器，造成很大浪費。所以，翅片管仍然是空冷器的主流傳熱元件，空冷器的本質可以看為是空氣－熱媒的管翅式換熱器，強化空氣冷卻器傳熱性能的關鍵是研製低接觸熱阻、高傳熱效能和流動阻力小的翅片管。當換熱器內部為壓力較高的流體時，管外加肋，就相當於用不承壓的廉價肋片取代承壓的優質管材，經濟效果顯著。

乾－濕聯合式空冷器

乾－濕聯合式空冷器，就是將乾式空冷器與濕式空冷器組合集成。組合的一般原則是，在工藝流體高溫區用乾式空冷器，起氣體冷凝的作用;在低溫區使用濕式空冷器，起冷凝液冷卻的作用。總之，選擇哪種形式的空冷器，要根據當地的大氣溫度、風速及相對濕度等環境氣候條件，結合介質最終冷卻溫度等換熱工藝要求，併兼顧經濟性，進行綜合考量確定。

翅片管

基本形式

空氣冷卻器

空氣冷卻器翅片管的基本形式有：套片式、繞片式、軋片式、焊片式、橢圓管式、鑲片式、紊流式、輪輻 式、開槽形式波紋形式。空氣冷卻器的管箱結構主要有法蘭式、管堵式和集合管式。一般法蘭式用於中低壓，管堵式和集合管式用於高壓。

翅片管的

加工工藝

空冷器翅片管的製造工藝主要有整體成形、焊接、高頻焊、機械連線。整體成形的翅片與管子一體，傳熱、機械和熱膨脹性能較好，但製造成本高，適用於低翅片管( 即螺紋管)。

焊接翅片可將不同材料的翅片和管焊接在一起，製造簡易，但焊縫中的殘渣不利於傳熱，必須保證焊接質量。高頻焊翅片利用高頻發生器產生的高頻電感應，使管子表面與翅片接觸處產生高溫而部分融化，再通過加壓使翅片與管子連成一體，連線過程中無焊劑、焊料，製造簡單，性能優良，是工業套用最多的一種工藝。

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套用

空氣（風）冷卻器主要用於行走機械（挖掘機、裝卸機、叉車、起重機、聯合收割機、築路機械、工程機械等），用風冷強制將工作介質冷卻到要求溫度。

清洗

因冷卻水大多數含有鈣、鎂離子和酸式碳酸鹽。當冷卻水流經金屬表面時，有碳酸鹽的生成。另外，溶解在冷卻水中的氧還會造成金屬腐蝕，形成鐵鏽。由於銹垢的產生，冷凝器換熱效果下降。嚴重時不得不在殼體外噴淋冷卻水，結垢嚴重時會堵塞管子，使換熱效果失去作用。研究的數據顯示水垢沉積物對熱傳輸的損失影響巨大，隨著沉積物的增加會造成能源費用的加大。即使很薄的一層水垢就要增加設備中結垢部分40%以上的運行費用。保持冷卻通道中不含礦物沉積物可以很好的提高功效、節約能源、延長設備的使用壽命，同時節約生產時間和費用。

長期以來傳統的清洗方式如機械方法（刮、刷）、高壓水、化學清洗(酸洗)等在對設備清洗時出現很多問題：不能徹底清除水垢等沉積物，酸液對設備造成腐蝕形成漏洞，殘留的酸對材質產生二次腐蝕或垢下腐蝕，最終導致更換設備，此外，清洗廢液有毒，需要大量資金進行廢水處理。