1.空气冷却器的基本结构

空气冷却器也称作空气冷却换热器，简称空气冷却器又称空冷器，布置方式可以分为水平式、竖直式和斜顶式等形式。

常用的空气冷却器（以下简称空冷器）形式有翅片管式、板翅式、管壳式、螺旋板式和热管式等。换流阀外冷通常由翅片管式空冷器所构成的若干个单元组成，翅片管式空冷器主要分为翅片管、管箱、风机、传动系统和构架五个组成部分。直流输电换流阀用翅片管式空冷器主体换热元件一般采用不锈钢无缝钢管和铝制翅片。冷空气进入空冷器与换热管翅片接触进行热交换；流出空冷器带走热量；空气的流动方式如图3－34和图3－35所示。空气冷却器与闭式冷却塔在结构上的不同之处在于，空冷器没有喷淋装置；空冷器通过增加管外传热面积的方式来加强传热，其热阻主要由管内热阻、接触热阻及管外热阻组成；对于管翅式空冷器而言，其三者的比例约为2∶1∶7［92］，因此从传热角度来看，进一步减小管内热阻和管外热阻是空冷器强化传热的关键。

图3－34 空气冷却器的基本结构

a）鼓风式 b）引风式

图3－35 空气冷却换热器结构示意图

2.传热设计

（1）主要设计参数

空气冷却器的设计参数与管壳式换热器相比，不但数量多，各参数之间的关系也更加复杂［93－95］。

1）设计气温。一般化工、暖通建筑行业设计气温是指设计空气冷却器时使用的当地环境的干球温度，可按全年中5～10天所达到的最高平均气温来设计。但是电力电子设备的空冷器一般以满足电力电子设备的热可靠性为主，如果没有特别注明，一般以历史极限温度，即历史最高温和历史最低温为限。

2）管内流体温度。管内流体温度指换热管内热流体的入口温度和出口温度。热流体入口温度越高，采用空气冷却器越经济。目前使用的空气冷却器，热流体入口温度一般在130℃以下，入口温度若低于70℃，则可考虑采用水冷。湿式空气冷却器的热流体入口温度以60～80℃为宜，以免喷淋系统结垢。出口温度的选取是直接影响空气冷却器经济性的重要指标。热流体出口温度与设计气温之差称为接近温差（或接近温度）。若热流体出口温度不能满足要求，可考虑采用湿式空气冷却器。若温差低于15℃，则水冷比较经济，热流体出口温度与设计气温之差越大，采用空气冷却器越经济［96］。但是电力电子行业的空冷器常常不是以节能为唯一目的。一般条件下，干式空气冷却器的接近温差一般应大于5℃。

3）管排数。管排数对空气冷却器的经济性影响较大，增加管排数，空气温升增加，但流动压降、功率消耗及操作费用也会增加。管排数的选择还影响迎风面积和占地面积。在实际设计中，对于一定换热量的空冷器而言，管排数的选择应综合考虑占地面积要求、风机性能和制造成本；一般选用4～8排。还可以根据使用的风机性能和需要的换热效能综合考虑后选取。

4）迎风面空气流速。迎风面空气流速简称迎面风速，标准状态是空气状态为20℃、101.3 kPa时，在迎风面处的流速。迎风面风速低，传热效果差，反之空气压降大，能耗高。一般取迎风面的空气流速在1.4～3.4 m／s之间，管排数少时取上限，管排数多时取下限。

5）高低翅片的选择。管内传热系数hi＞2000 W／（m2·℃）时，可采用高翅片；管内传热系数hi＝1160～2000W／（m2·℃）时，采用高低翅片均可；管内传热系数hi＝110～1160 W／（m2·℃）时，采用低翅片管内给热系数；对高凝固点流体或寒冷地区，为避免流体凝固或冻结，宜采用光管或低翅化比的翅片管。

6）管程数的选择。管程数主要取决于管程允许压降及热流体温度变化范围。管程数增加，则管内流体流速增加。对冷却过程，管内流体流速一般控制在0.5～1.0 m／s，气体质量流速一般控制在5.0～10 kg／（m2·s）。

通过上述的主要设计参数，计算出其换热系数和换热面积。一般有五种传热设计分析方案：传热有效单元数法ε－NTU或P－NTU、平均温差法、无因次平均温差、温度效率法和P1－P2法，这里主要介绍有效单元数法和平均温差法。它们的计算步骤基本一致［96］。

①初步布置换热面，并计算出相应的传热系数k。

②根据给定条件，由热平衡方程式求出进出口温度中特定温度。

③由冷、热流体的4个进、出口温度确定平均温差Δtm；计算时注意保持修正系数有合适的数值。

④由传热方程式求出所需要的换热面积A，并核算换热面积两侧的流体的流动阻力。

⑤如果流动阻力过大，改变方案重新设计计算。

（2）平均温差法传热设计

平均温差法主要通过一般换热方程，分别计算换热系数和换热面积。

换热器的换热方程一般可以表示为

式中，Q为热负荷（W）；K0为以总换热面积为基准的总传热系数［W／（m2·K）］；A为总换热面积（m2）；ΔT为有效传热温差（℃）。

总传热系数为

式中，A∑／A0为翅化比；K可以通过式（3－24）进行计算

式中，hf为管外翅片膜传热系数（以翅片外表面积为基准）［W／（m2·K）］；hi为管内流体膜传热系数（以管内壁表面积为基准）［W／（m2·K）］；rf为翅片热阻（以翅片总面积为基准）［（m2·K）／W］。

1）翅片热阻rf的计算。

式中，Ef为翅片效率，根据

计算可得；λL为翅片导热系数［W／（m·K）］；A0为光管外表面积（m2）；A∑为翅片总表面积，A∑＝Af＋Ar（m2）；Af为翅片面积（m2或m2／m），且

Ar为翅根外表面积（m2），且

ri为管内流体的结垢热阻（m2·K／W），查表3－17可以获得水的结垢热阻

表3－17 水的结垢热阻（单位：m2·K／W）

注：若热流超过200℃，结垢热阻乘以1.5～2.0。

翅片高度Hf（mm）为

式中，df为圆形翅片管翅片外径（mm）；dr为翅片的根部直径（mm）

管壁的热阻rw［单位为（m2·K）／W］为(www.daowen.com)

式中，λw为基管的导热系数［W／（m·K）］，对于铝基管，λ为铝基管导热系数；对于不锈钢基管，λ为不锈钢导热系数；d0为传热管外径（mm）；di为传热管内径（mm）。

2）管外膜传热系数的hf计算。

式中，tD为空气定性温度（℃）；t1、t2为翅片管外空气的进、出口温度（℃）；Kf为与翅片几何参数相关的综合系数，

其中各参数一律采用米制。

对于正三角形排列翅片管，有

式中，ξf为空气冷却器管束的迎风面积与翅片管外空气流通最狭窄面处面积的比值（简称“风面比”）；Pt为单位长度单根管迎风面积，由于空气冷却器管束布管一般为等距离排列所以Pt＝S1；UN为空气在101325 Pa、20℃下的迎面风速（m／s）。

3）管内膜传热系数hi的计算。可采用迪特斯和波艾泰尔（Dittuss－Boelter）关联式，即

4）空气出口温度的计算。已知风量计算空气的出口温度

式中，Q为热负荷（W）；Cpa为空气的比热容，标准状态下，Cpa＝1005 J／（kg·K）；ρN为标准状态下空气密度，ρN＝1.205 kg／m3；VN为标准状态下风量（kg／s）；FB为管束迎风面积（m2）；NB为管束数量。

3.检测过程

由于电力电子设备的空冷器一般较大，不容易进行测试，因此可以采用无量纲的方法进行等比放大测试。

抽取空冷器相同的管径和相同的翅片制成的样品，使得两者具有相同的热阻。根据公式可以得到

式中，下标1表示可以在实验室测试的样品参数，2为待测空冷器；k可以表示如下：

式中，下标fluid指液体流体，air指空冷器。

在实验室调整测试的样品的盘管内水流速度和空气速度与待测空冷器的设计值相同就有

空冷器的对数平均温差ΔTm需要进行修正，一般通过传热有效单元数法进行公式修正。

4.通风阻力设计

空气冷却器的阻力包括进风口、导流设施以及风筒阻力（包括风机进出口）等部分如图3－36所示，从进风到出风口主要的阻力在进风栅Δp1、换热管束Δp2、集水器／脱水器Δp3和引风的风筒风机带来的阻力Δp4几处。

空气冷却器主要由管束、风机和构架组成。设计计算的目的是要估算出换热面积的大小、设备占地面积及电动机功率。根据式（3－42）～式（3－51）分步对翅片热阻rf、管外膜传热系数的hf、管内膜传热系数hi、空气出口温度以及有效平均温差进行设计和校核计算设计计算流程如图3－37所示

图3－36 空气冷却器的压力分布

图3－37 空气冷却器的计算流程

设计过程如下：

1）翅片热阻rf通过下面一系列公式求得：

管外翅片膜传热系数hf通过下面公式求得

管内流体膜传热系数hi通过下面公式求得

2）根据能量守恒定律，假定出口温度To，根据Q＝cmΔt即循环冷却水的进出口温度和流量来确定其总换热量Q。

3）根据

计算平均温差ΔTm；计算时注意保持修正系数有合适的数值Ft。

4）由传热方程式求出所需要的换热面积A与采用结构核算出的Aa进行比较，对两者进行比较。

5）根据

计算阻力Δp，如果流动阻力过大，改变方案重新设计计算