如何设计空冷器？

1）干式空冷器的几个设计参数

（1）管内流体温度

①热流体入口温度 一般要求为120～130℃左右或以下。因为入口温度过高，传热固然好，但被空气带走热能过多。如温度低于60～80℃，以采用水冷器或湿式空冷器为宜。

②热流体出口温度 这是决定采用干式空冷器是否经济的一个重要指标。现大多采用所谓“接近温差”，即热流体出口温度和设计空气温度（即空冷器入口空气温度）之差，作为选取和确定热流体出口温度的依据。对炼油厂使用的空冷器接近温差最好大于20～25℃，至少要大于15℃，否则不经济。电站使用的空冷器，国外大多数为25～35℃，个别达到40℃。

图3.69 最佳管排数算图

（2）设计气温 这是指空冷器设计时所采用的入口空气温度，它是空冷器设计的最重要参数。如果设计气温高于实际气温，则空冷器的设计过于保守，甚至会将工艺流体冷却到比所希望的温度还要低；如低于实际气温，传热面积就显得偏小，空冷器将不能冷却到所要求的负荷。设计气温的选取方法有多种，根据我国情况，建议所选用的设计气温值为每一年中只允许有5天的时间的实际气温会超过它，即其他天数内出现的实际气温不会比它高。

（3）管排数 目前通用的管排数是2、4、6、8排，以4、6排居多，管排数对经济效果影响很大，管排数少，传热效果好，但单位传热面积造价高，占地面积大，同时由于空气的温升较小，需要的风量就大。如管排数太多，对数平均温差降低，面积增大，气流阻力也增加。这些因素对投资与成本都有影响，所以要合理选择。经过经济比较，认为一般空气温升应在15～20℃以上，如设计中发现空气温升较小，则要增加管排数。为了合理选用管排数可参考图3.69。图中，t′2——空气入口温度，℃；t′1——管内流体入口温度，℃。

（4）迎面风速 指空气通过迎风面的速度。迎风面积AF为管束外框内壁以内的面积，即

AF=（管束宽×长-2×侧梁宽×长）

当空气为标准状况时（20℃，1气压），迎面风速为标准迎面风速vNF，迎面风速太低，影响传热效果，从而增加功率消耗及使噪音提高。一般，3.4m/s≥vNF≥1.4m/s。排数少取其上限，排数多取其下限。当采用鼓风式空冷器时，可按表3.12选用。当采用引风式时，因被风机抽出的空气温度较高，为了节省动力可采用较低的迎面风速。

（5）高翅片管的选用 建议当管内对流换热系数大于2093W/（m2·℃）时，采用高翅片管；对流换热系数在1163～2093W/（m2·℃）时，高低翅片管均可；在116～1163W/（m2·℃）之间时，用低翅片管；低于116W/（m2·℃）时，用光管比翅片管经济，或采用在管子内表面装有翅片的管。对高凝固点流体或在寒冷地区，为避免流体凝固与冻结，可采用低翅化比的翅片管或光管空冷器。如渣油的冷却就用光管空冷器。

表3.12 推荐的标准迎面风速值

2）设计程序

设计计算程序如下：总体考虑—估算—选型设计—精确计算。

（1）总体考虑

①按给定条件，对用空冷还是水冷进行比较，有充分理由才能选定空冷；

②选择空冷器结构型式，如鼓风式还是吸风式；水平式或斜顶式、直立式等；

③选定流程，如空冷器与水后冷器或湿式空冷器的组合等。

（2）估算

①根据工艺条件，进行传热量Q的计算；

②选定设计气温t1；

③根据管内流体情况，由附录A选取传热系数；

④试算管束中空气温升（见例3.5），或根据下列最佳温升计算式进行试算：

图3.70 最佳空气温升范围

然后通过图3.70对空气温升进行修正，注意此式只用于估算，在某些情况下有较大偏差；

⑤计算平均温差Δtm；

⑥估算传热面积Fo，由Fo选取定型的空冷器。

（3）选型设计

①管排数选择 计算，按图3.69选定最有利管排数。

②由管排数选取标准迎面风速vNF。

③计算迎风面积AF

④选取管束。

⑤定管程 保证管内流体有一定的流速，而且管内压力降应较小。对液体w1=0.5～1.5m/s为宜。管程数Np用下式计算：

式中 n——总的管子数；

di——管内径，m；

ρ1——管内流体密度，kg/m3；

m——每管程管内流体质量流量，kg/h。

⑥选风机 风量由下式计算

计算风机全风压 Δp=Δp1+Δp2

式中 Δp1——管束气流流动阻力，由下式计算

Φf——翅高影响系数，对高翅片Φf=1，低翅片Φf=1.15

N——（最佳）管排数。

式（3.111）只适用于国产高、低空冷器翅片用。

Δp2——风机动压头，取20～40N/m2。

根据风量、风压，用风机特性曲线来选取风机型式及风机叶片角度。读者可参考有关泵与风机的书籍或参考文献[10]。

（4）精确计算(www.xing528.com)

①管内流体换热系数，可由本书第二章中公式进行计算。

②选取污垢热阻，可查本书附录C、D、E。

③计算管壁热阻

④计算以光管外表面积为基准的换热系数。

⑤计算传热系数。

⑥计算传热平均温差。

⑦计算以光管外表面积为基准的传热面积Fo。将Fo的精确计算值与估算值相比较，如两者接近，则估算中所选空冷器即为所求。如误差太大，则应重新选型，重复（3）中①至（4）中⑦各步，再比较精确计算与估算值。如此不断反复，直至满足要求为止。

以上计算过程可归纳为图3.71所示的计算框图。

3）空冷器设计计算示例

[例3.5] 试选用一台定型的空冷器将流量为42m3/h的某种航煤从165℃冷却到55℃，其热负荷为8.88×106kJ/h。设计气温为35℃。

[解]

1）总体考虑 因接近温差为55-35=20℃，故选用空冷器是经济的。

2）估算和选型

（1）由附录A选取传热系数Ko=407W/（m2·℃）。

（2）选取管排数 计算，查图3.69得最佳管排数为7。根据管束规格，考虑煤油的换热系数不高，故选用低翅片6排管。

图3．71空冷器计算程序框图

（3）选取标准迎面风速 由表3.12查得

（4）试算空冷器出口空气温升及传热面积

假设几个可能的出口空气温升（或温度），按热平衡式求得AF、F′o（由迎风面积AF计算而得的光管外表面积），再根据传热计算求得Fo，比较Fo与F′o，至两者接近时为止。列表计算如下：

表3.13 空冷器出口空气温升及传热面积数据表

由估算可见，当空气出口温升50℃时，Fo与接近，故取空冷器出口风温为。

（5）选型 今已知流量为42m3/h、管排数为6，由图3.72查得油在管内流速1m/s左右时，可采用PD9×2-6（Ⅵ）的管束（如不用此图，读者也可根据国产管束规格，自行计算管内流速）。这一管束的光管表面积为145m2，与均很接近。

实际迎风面积 AF=2×9-2×0.1×9=16.2m2，与计算值（上表中）接近，故迎面风速与出口风温均可不必调整。

（6）选风机

风量 V=3600AFvNF=3600×16.2×2.5=146000m3/h

风压 管束压降由式（3.111）计算

选用F18风机三台。

3）精确计算

对PD9×2-6（Ⅵ），管子总根数为210根，体积流量m/ρ1=42m3/h，则管程数Np可由式（3.109）计算

今前已选为6管程，每程35根，则该种油品在管内实际流速为

由参考文献[11]可得，当航煤温度为110℃时，其对流换热系数为1396W/（m2·℃），当油品流速为1.06m/s时，校正系数为0.84，则油品管内对流换热热阻为

由附录E得航煤的污垢热阻为

管壁热阻为

图3.72 管内流率、流速与单程管数及管束规格关系图

图表内符号：P-水平式管束高翅片管；PD-水平式管束低翅片管；阿拉伯字-管排数；罗马字-管程数

在vNF=2.5m/s时，由式（3.99）可得 αo=791W/（m2·℃）

传热系数Ko可由下式计算得

对数平均温差 Δtlm，c=43.3℃

计算

由P、R值查附录Ⅰ得 ψ=0.996

传热平均温差 Δtm=Δtlm，c·ψ=43.3×0.996=43.1℃

光管传热面积

Fo的这一精确计算值与估算值一致，故不必重算，所选PD9×2-6（Ⅵ）管束一片所构成的空冷器即为所求。