第4章翅片管式空氣冷卻器
4.1空冷器的優(yōu)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式
空氣冷卻器是用環(huán)境空氣冷卻工藝流體的大型換熱設(shè)備。在煉油廠(chǎng)，發(fā)電廠(chǎng)和其他 工業(yè)領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。為了強(qiáng)化空氣的冷卻效果，絕大多數(shù)空冷器都采用翅片管 作為傳熱元件。為了節(jié)約水源，用空冷代替水冷已成為普遍的選擇,空冷與傳統(tǒng)的水冷相 比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：
① 水日益成為緊缺的資源，我國(guó)是一個(gè)缺水的國(guó)家，在某些能源大省和廣大的西北地 區(qū)，水資源更為緊張，而空氣到處都有,且可免費(fèi)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(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，若釆用水冷，當(dāng)換熱器出現(xiàn)腐蝕和泄漏時(shí)，會(huì) 對(duì)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(dòng)阻力較大，使得水冷的成本較高；而空氣 無(wú)需經(jīng)過(guò)處理，而且不需要循環(huán)使用，因而運(yùn)行成本較低。
此外,用空氣作為冷卻介質(zhì)，與水比較，也有若干不足和特點(diǎn)：
① 空氣溫度受大氣溫度及氣候的影響很大，經(jīng)常處于變動(dòng)狀態(tài)，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(zhì)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(shí)，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(zhì)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(fēng)量和大的迎風(fēng)面積。
④ 空氣的對(duì)流換熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的對(duì)流換熱系數(shù)，即使在采用翅片管的情況下，
空冷器的傳熱系數(shù)也較低，是水冷器的傳熱系數(shù)的* 倍。
空冷器的結(jié)構(gòu)：
(1)翅片管。為了提高空冷器的傳熱效果，絕大多數(shù)空冷器都要采用翅片管作為空 冷器的傳熱元件。見(jiàn)第1.2節(jié)中與空氣換熱的翅片管的介紹。由于空氣流過(guò)翅片時(shí)幾乎 沒(méi)有污染和腐蝕,在大多數(shù)運(yùn)行條件下，表面積灰和結(jié)垢不嚴(yán)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(dá)20以上。翅片材質(zhì)多為鋁，而基管材質(zhì)多釆用碳鋼或 不銹鋼。其中鋼管/鋁軋制復(fù)合翅片管應(yīng)用最為普遍，其結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，因而成為目前空冷器制造行業(yè)的首選。常用的翅片管規(guī)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(guī)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(chēng)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(nèi)介質(zhì)的進(jìn)口 和岀口可以置于同一個(gè)管箱上，另一管箱作為回轉(zhuǎn)管箱，依靠管箱內(nèi)部的隔板來(lái)實(shí)現(xiàn)管程 的劃分。
在空氣流動(dòng)方向，一般布置2~6排翅片管，圖中所示為2個(gè)管程，每2排翅片管為一 個(gè)管程。各排翅片管之間是錯(cuò)排排列。管束的外形尺寸為丄（長(zhǎng)）x"（寬），為了便于運(yùn)輸 和加工，長(zhǎng)度厶一般不超過(guò)12 m,而寬度驢不超過(guò)3 m為宜。
管箱的結(jié)構(gòu)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(nèi)的清理，往 往采用絲堵型管箱結(jié)構(gòu)，在管箱的外側(cè)箱板上，針對(duì)每個(gè)管口，安裝一個(gè)可拆卸的絲堵。 對(duì)于高壓介質(zhì)，可采用圓管型管箱。
圖4.1.3管箱結(jié)構(gòu)
(3) 翅片管束和風(fēng)機(jī)的布置形式。
一臺(tái)空冷器由若干個(gè)翅片管束并在一起,構(gòu)成一個(gè)完成的換熱器傳熱結(jié)構(gòu)。空冷器 的翅片管束和風(fēng)機(jī)有兩種布置形式：圖4. 1.4中，管束水平布置，風(fēng)機(jī)安裝在下部，向上鼓 風(fēng),稱(chēng)為鼓風(fēng)式或強(qiáng)制通風(fēng)式空冷器；圖4. 1.5中，管束水平放置，風(fēng)機(jī)安裝在上部，向上 引風(fēng),稱(chēng)為引風(fēng)式或誘導(dǎo)通風(fēng)式空冷器。
圖4. 1.5誘導(dǎo)通風(fēng)式空冷器
兩種形式的空冷器各有優(yōu)缺點(diǎn):對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)式空冷器，進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣是沒(méi)有加熱 的冷風(fēng)，空氣密度較大,風(fēng)機(jī)的功率消耗較小，缺點(diǎn)是鼓出去的熱風(fēng)容易被吸回來(lái),產(chǎn)生熱 風(fēng)再循環(huán),需要在空氣出口和入口的結(jié)構(gòu)上做仔細(xì)的考慮;對(duì)于誘導(dǎo)通風(fēng)式空冷器，進(jìn)入 風(fēng)機(jī)的風(fēng)是經(jīng)過(guò)加熱后的熱風(fēng)，溫度較高，因此風(fēng)機(jī)耗能較大，但是因空氣出口的動(dòng)壓較 高,不易產(chǎn)生熱風(fēng)再循環(huán)現(xiàn)象，此外，由于風(fēng)機(jī)安裝在高處,會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝工藝增加 一定的難度。
在風(fēng)機(jī)型號(hào)的選擇上有三個(gè)重要的參數(shù)互相關(guān)聯(lián)，即風(fēng)量(m3/h),壓頭(Pa)及功率 (kW)，這些參數(shù)要由設(shè)計(jì)確定。在結(jié)構(gòu)上，往往采用多臺(tái)風(fēng)機(jī)，要與管束的迎風(fēng)面合理 地結(jié)合在一起。
為了防止日照、雨雪、低溫等自然因素對(duì)管束及換熱的影響，對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)式空冷器, 在翅片管束上部都要裝設(shè)可調(diào)整開(kāi)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?xún)A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(nèi)蒸汽的凝結(jié)，蒸汽從上部管箱進(jìn)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(duì)空氣繞流 翅片管束的均勻性會(huì)有一定影響。
本章重點(diǎn)講解空冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)于空冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其細(xì)節(jié)不作詳細(xì)論 述。在空冷器的設(shè)計(jì)中，管外是空氣繞流翅片管束的換熱，換熱系數(shù)已有成熟的計(jì)算方 法,可按第2章中的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。然而,管內(nèi)被冷卻的介質(zhì)會(huì)有各種不同的換熱情 況，并遵循不同的換熱規(guī)律，因而有必要根據(jù)管內(nèi)的換熱特點(diǎn)對(duì)空冷器的設(shè)計(jì)進(jìn)行分類(lèi)。 按管內(nèi)的換熱特點(diǎn)可分為：
(1 )管內(nèi)介質(zhì)是單組分或多組分的冷卻；
(2) 管內(nèi)介質(zhì)是單組分或多組分的冷凝；
(3) 管內(nèi)介質(zhì)是單組分或多組分的冷凝和冷卻。
管內(nèi)的相變換熱都涉及管內(nèi)氣/液兩相流動(dòng)，由于換熱過(guò)程的復(fù)雜性和計(jì)算方法不完 善,給空冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)很大的困難。
4.2節(jié)講述管內(nèi)是單相流體冷卻時(shí)的空冷器設(shè)計(jì);在4. 3節(jié)中講述管內(nèi)凝結(jié)過(guò)程和 冷卻過(guò)程同時(shí)存在時(shí)的空冷器設(shè)計(jì)計(jì)算；在4. 4節(jié)中重點(diǎn)講述空冷器的變工況計(jì)算；在 4.5節(jié)中推薦一些設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和空冷器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在各節(jié)中都給出了計(jì)算例并對(duì) 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。
