空冷器翅片管束空气侧阻力与管排数设计计算书

空冷器翅片管束空气侧阻力与管排数设计计算书（详细设计计算版）设计阶段：施工图设计设计编号：AC-2026-001版次：A版编制日期：2026年9月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章概述与设计依据 第一章概述与设计依据1.1工程背景与设计目的空气冷却器（简称空冷器）是石油化工、电力、冶金等工业领域中广泛应用的换热设备，其利用环境空气作为冷却介质，通过强制对流方式将工艺介质的热量散发到大气中。与水冷器相比，空冷器具有节水、运行费用低、环境污染小、维护简便等显著优点，在水资源匮乏地区和对环保要求较高的场合具有不可替代的作用。翅片管束是空冷器的核心换热元件，其结构设计直接决定了空冷器的传热性能、空气侧阻力、风机功耗和运行经济性。管排数作为翅片管束的关键结构参数，对传热面积、空气流动阻力、风机选型和设备投资均有重大影响。管排数过少则传热面积不足、热负荷无法满足；管排数过多则空气侧阻力急剧增大、风机功耗上升、运行成本增加，且可能导致管束后部传热效率降低。本计算书针对某石化装置冷却用水介质空冷器，进行翅片管束的结构设计、工艺热力计算、空气侧流体力学与阻力计算、管排数优化分析、风机选型及强度安全校核，旨在为工程设计提供完整、严谨、可追溯的计算依据，确保设备安全可靠运行。1.2引用标准与规范本设计计算书严格遵循以下国家标准、行业标准及国际规范：序号标准编号标准名称1GB/T15386-94空冷式换热器2NB/T47007-2010空冷式热交换器3GB/T151-2014热交换器4GB150.1~150.4-2011压力容器5SH/T3008-2016石油化工空冷器设计规范6API661-2013Air-CooledHeatExchangersforGeneralRefineryService7GB50316-2000工业金属管道设计规范8GB/T8163-2018输送流体用无缝钢管9GB/T3880-2012一般工业用铝及铝合金板、带材10HG/T20570-2012管路系统的水力计算11ASHRAEHandbook-2020Fundamentals,HVACSystemsandEquipment12GB/T28712.1-2012热交换器型式与基本参数第1部分：空冷式热交换器1.3设计范围与边界条件本计算书的设计范围包括：翅片管束的结构参数设计、工艺热力计算、空气侧阻力与管排数计算、管内流体力学计算、风机选型计算、强度与安全校核。边界条件如下：（1）管程介质为水，壳程介质为空气；（2）采用引风式空冷器，风机位于管束上方；（3）管束采用水平布置，空气垂直向上横掠管束；（4）不考虑环境侧风、雨雪等极端工况对性能的影响；（5）设计寿命按15年考虑，腐蚀裕量取1.5mm。1.4设计原则与安全准则（1）安全第一原则：所有受压元件的强度计算必须满足GB150的要求，安全系数不低于标准规定值；（2）传热裕量原则：实际传热面积应不小于计算所需面积的110%，确保在污垢积聚、工况波动时仍能满足工艺要求；（3）经济合理原则：在满足工艺要求的前提下，通过管排数优化使设备初投资与运行费用之和最小；（4）防振原则：管束设计应避免卡门涡街诱发的流体诱导振动，管子固有频率应大于涡脱频率的1.3倍；（5）可维护性原则：结构设计应便于检修、清洗和更换翅片管。

第二章设计原始参数2.1工艺介质参数管程工艺介质为冷却水，具体设计参数如下表所示。表2-1工艺介质设计参数参数名称数值单位介质名称水（H₂O）—质量流量36000kg/h进口温度120.0°C出口温度50.0°C平均温度85.0°C设计压力2.5MPa操作压力0.6MPa允许压降≤0.10MPa污垢热阻0.000176m²·K/W2.2空气侧设计参数空气侧设计参数依据当地气象条件和工艺要求确定。表2-2空气侧设计参数参数名称数值单位设计干球温度35.0°C设计湿球温度26.5°C空气出口温度（估算）55.0°C平均温度45.0°C设计压力0.10MPa污垢热阻0.000176m²·K/W2.3环境条件装置所在地海拔高度为500m，根据海拔修正公式计算当地大气压：Patm=P0式中：P₀为标准大气压，取101325Pa；H为海拔高度，m。代入数值计算得：P_atm=95461Pa。2.4设计压力与温度管程设计压力根据工艺操作压力的1.1倍确定，取2.5MPa；壳程（空气侧）为常压设计，取0.1MPa。设计温度取介质最高操作温度加15°C裕量，管程设计温度为135°C，壳程设计温度为80°C。2.5材质选择根据介质腐蚀性和设计条件，主要零部件材质选择如下：表2-3主要零部件材质零部件材质及标准选用理由换热管20号钢（GB/T8163）耐水腐蚀，强度高，成本低翅片工业纯铝1060（GB/T3880）导热系数高，质轻，成型性好管箱Q345R（GB713）压力容器用钢，综合性能优良管板16Mn锻件强度高，适合厚管板框架Q235B结构用钢，经济性好风机叶片铝合金/玻璃钢轻质高强，耐腐蚀

第三章结构设计计算3.1管束结构形式选择空冷器管束按布置方式可分为水平式、斜顶式（A型）和立式等。本设计采用水平式管束，空气由下向上垂直横掠管束。水平式管束具有结构简单、检修方便、占地面积适中的优点，是石油化工装置中应用最广泛的形式。管子排列方式采用正三角形（等边三角形）错列排列。与正方形排列相比，正三角形错列排列在相同管心距下可布置更多管子，传热系数更高，且空气在管间形成强烈的扰动，有利于强化传热。管心距根据翅片外径确定，一般取翅片外径的1.15~1.25倍。3.2管子规格与排列换热管采用高频电阻焊翅片管，基管为φ25×2.5mm的20号钢无缝钢管。管子规格的选择综合考虑了传热效率、压降、机械强度和经济性等因素。表3-1管子结构参数参数名称数值单位基管外径d_o25.0mm基管内径d_i20.0mm壁厚δ2.5mm管心距p62.0mm排列方式正三角形错列—有效管长L9.0m管束宽度W3.0m3.3翅片参数设计翅片采用缠绕式（L型/LL型）铝翅片，翅片与基管通过机械胀接或焊接方式紧密接触，以减小接触热阻。翅片参数的选择直接影响传热面积和空气侧阻力。表3-2翅片结构参数参数名称数值单位翅片高度H_f12.5mm翅片厚度δ_f0.5mm翅片间距s2.38mm翅片密度420.2片/m翅片外径d_f50.0mm翅片材质工业纯铝1060—翅片导热系数k_f203W/(m·K)3.4管排数初步确定管排数是空冷器设计的关键参数。根据API661和SH/T3008的推荐，引风式空冷器的管排数通常为4~8排。管排数过少则单位宽度传热面积不足，需要增加管束宽度或长度；管排数过多则空气侧阻力增大，风机功耗上升，且后排管子的传热温差减小，传热效率降低。本设计初步选取管排数N=6排，后续将通过热力计算和阻力计算进行验证和优化。3.5管程数与分程管程数选取为4程。管程数的确定原则是使管内流速处于合理范围（水介质推荐流速1.0~2.5m/s），同时保证管内压降不超过允许值。多管程设计可提高管内流速，增强管内传热，但会增加管内压降。3.6管束几何尺寸计算管束宽度方向管子数计算：nw=Wp+1式中：W为管束宽度，m；p为管心距，m。代入数值得：n_w=49根。总管数：n=n_w×N=49×6=294根。每程管数：n_p=n/N_p=294/4=73根。3.7传热面积计算翅片管束的传热面积由三部分组成：翅片表面积、翅片间裸管表面积和翅片侧缘面积。（1）每米管长裸管表面积：Ab=πdo(1-nf代入计算：A_b=0.0620m²/m。（2）每米管长翅片表面积（含两侧及侧缘）：Af=nf[π2代入计算：A_f=1.2705m²/m。（3）每米管长总外表面积：Ao=Ab+Af代入计算：A_o=1.3325m²/m。（4）翅化比（外表面积与内表面积之比）：ε=（3-5）代入计算：ε=21.21。（5）管束总传热面积：A=（3-6）代入计算：A=3525.9m²（外基准）。管内总表面积：A_i=πd_i·L·n=166.3m²。表3-3传热面积计算结果汇总项目数值单位每米裸管面积0.0620m²/m每米翅片面积1.2705m²/m每米总外表面积1.3325m²/m翅化比21.21—管束总外表面积3525.9m²管束总内表面积166.3m²

第四章工艺热力计算4.1热负荷计算工艺介质放出的热量（热负荷）按下式计算：Q=（4-1）式中：m_w为工艺介质质量流量，kg/s；c_p,w为定压比热，J/(kg·K)；T₁、T₂为介质进、出口温度，°C。代入数值：Q=10.00×4195×(120.0-50.0)=2936.5kW=2.94MW。4.2空气出口温度与风量计算根据热平衡，空气吸收的热量等于工艺介质放出的热量：Q=（4-2）先假设空气出口温度t₂=55.0°C，则空气质量流量：m_a=Q/[c_p,a(t₂−t₁)]=145.66kg/s。空气体积流量：V_a=m_a/ρ_a=151.16m³/s=544192m³/h。4.3对数平均温差计算空冷器中空气与工艺介质总体呈逆流流动，对数平均温差（LMTD）按下式计算：Δ（4-3）式中：ΔT₁=T₁−t₂=65.0°C（热端温差）；ΔT₂=T₂−t₁=15.0°C（冷端温差）。代入计算：ΔT_lm=34.10°C。考虑多管程流动的温差修正系数F=0.95，修正后对数平均温差：ΔT_lm'=F×ΔT_lm=32.39°C。4.4管内对流换热系数计算管内水的对流换热系数采用Dittus-Boelter关联式（湍流，冷却工况）：N（4-4）管内流速计算：u（4-5）代入计算：u_i=0.45m/s。管内雷诺数：Re_i=ρ_wu_id_i/μ_w=26032（湍流，Re>10000）。努塞尔数：Nu_i=105.0。管内对流换热系数：h_i=Nu_i·k_w/d_i=3540W/(m²·K)。4.5管外空气侧对流换热系数计算翅片管束管外空气侧对流换热系数采用Briggs&Young关联式，该式适用于横向冲刷环形翅片管束的工况：N（4-6）式中雷诺数基于最小流通截面处的最大风速和基管外径计算。迎面风速：u（4-7）式中A_F为迎风面积，A_F=W×L=27.0m²。代入得：u_F=5.60m/s。最小流通截面风速（最大风速）：u（4-8）A_min考虑翅片占据的流通面积，计算得：A_min=12.73m²，u_max=11.88m/s。空气侧雷诺数：Re_o=ρ_au_maxd_o/μ_a=14748。努塞尔数：Nu_o=60.27。管外对流换热系数：h_o=Nu_o·k_a/d_o=66.5W/(m²·K)。4.6翅片效率计算环形翅片的效率采用以下近似公式计算：η（4-9）其中：m=（4-10）式中：L_c=(d_f−d_o)/2+δ_f/2=12.75mm（修正翅高）。计算得：m=36.2m⁻¹，m·L_c=0.462。翅片效率：η_f=0.935（即93.5%）。翅片表面总效率（加权平均效率）：η（4-11）代入计算：η_o=0.938（即93.8%）。4.7管壁导热热阻圆管壁的导热热阻（基于外表面积）：R（4-12）代入计算：R_w=0.000062m²·K/W。4.8污垢热阻选取根据GB/T151和工艺介质特性，管内水侧污垢热阻取R_f,i=0.000176m²·K/W，管外空气侧污垢热阻取R_f,o=0.000176m²·K/W。空气侧污垢热阻主要考虑翅片表面积灰的影响。4.9总传热系数计算基于外表面积的总传热系数由各部分热阻串联组成：1（4-13）各项热阻计算结果如下：表4-1总传热系数热阻组成热阻组成数值(m²·K/W)占比(%)管外对流热阻0.01603095.2管外污垢热阻0.0001761.0管壁导热热阻0.0000620.4管内污垢热阻（换算）0.0002201.3管内对流热阻（换算）0.0003532.1总热阻0.016841100.0总传热系数：K_o=1/R_total=59.4W/(m²·K)。从热阻分布可以看出，管外空气侧对流热阻占主导地位，这是空冷器的典型特征，也是采用翅片强化管外传热的根本原因。4.10所需传热面积与面积裕量校核所需传热面积：A（4-14）代入计算：A_req=1526.7m²。实际传热面积：A=3525.9m²。面积裕量：(A−A_req)/A_req×100%=131.0%。面积裕量131.0%满足设计要求（≥10%），传热面积充足。

第五章空气侧流体力学与阻力计算5.1空气物性参数计算空气在平均温度45.0°C下的物性参数如下表所示。密度已按海拔500m进行修正。表5-1空气物性参数（平均温度下）物性参数数值单位密度ρ_a0.964kg/m³动力粘度μ_a1.94e-05Pa·s导热系数k_a0.0276W/(m·K)定压比热c_p,a1008J/(kg·K)普朗特数Pr0.708—5.2迎面风速与最小流通截面风速迎面风速u_F=5.60m/s，处于推荐范围2~4m/s内。最小流通截面风速u_max=11.88m/s。最大风速用于计算雷诺数和摩擦压降。5.3雷诺数计算空气侧雷诺数基于最小截面最大风速和基管外径：R（5-1）代入计算：Re=14748，处于湍流过渡区。5.4管束摩擦系数计算翅片管束的摩擦系数采用两种关联式计算并取保守值（较大值）。（1）Kays&London关联式：f（5-2）计算得：f₁=0.0117。（2）Robinson&Briggs关联式：f（5-3）计算得：f₂=0.0555。取保守值：f=max(f₁,f₂)=0.0555。5.5空气侧压降组成分析空气横掠翅片管束时，总压降由以下四部分组成：（1）摩擦压降：空气与翅片表面、管壁之间的摩擦阻力；（2）加速压降：空气流经管束时温度升高、密度减小导致的加速压降；（3）入口局部阻力：空气进入管束时的突然收缩损失；（4）出口局部阻力：空气离开管束时的突然扩大损失（含动能恢复）。5.6摩擦压降计算摩擦压降采用达西-魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：Δ（5-4）其中质量流速G_max=ρ_a·u_max。水力直径D_h定义为：D（5-5）式中L为气流方向管束深度，L=N_r×p×√3/2=0.322m。计算得：D_h=4.65mm，G_max=11.44kg/(m²·s)。摩擦压降：ΔP_f=261.1Pa。5.7加速压降计算空气在管束中被加热，密度从入口到出口逐渐减小，产生加速压降：Δ（5-6）入口密度ρ_in=0.995kg/m³，出口密度ρ_out=0.934kg/m³。加速压降：ΔP_a=8.5Pa。5.8出入口局部阻力计算入口局部阻力（突然收缩）：Δ（5-7）出口局部阻力（突然扩大，含动能恢复）：Δ（5-8）取K_in=0.4，K_out=0.7。入口阻力：ΔP_in=26.3Pa。出口阻力：ΔP_out=49.1Pa。5.9管排数对阻力的影响修正管排数对摩擦系数有显著影响。当管排数较少时（N_r<10），前排管子的尾流对后排管子的流动有扰动作用，使摩擦系数随管排数增加而略有减小。本计算已在摩擦系数关联式中引入了管排数修正项N_r^(-0.1)和N_r^(-0.15)。此外，管排数直接影响气流方向的管束深度L，从而影响摩擦压降。摩擦压降与管排数近似呈线性关系：ΔP_f∝N_r。5.10总空气侧阻力计算Δ（5-9）表5-2空气侧阻力组成阻力组成数值(Pa)占比(%)摩擦压降261.175.7加速压降8.52.5入口局部阻力26.37.6出口局部阻力49.114.2总阻力345.0100.0空气侧总阻力：ΔP_air=345.0Pa=0.35kPa。该阻力值在引风式空冷器的典型范围（100~300Pa）内，风机选型合理。

第六章管内流体力学计算6.1管内流速计算管内流速u_i=0.45m/s，处于水介质推荐流速范围（1.0~2.5m/s）内，既能保证良好的传热效果，又不会导致过大的压降和腐蚀。6.2管内雷诺数Re_i=26032，远大于临界雷诺数10000，管内流动为旺盛湍流。6.3管内摩擦系数采用Blasius公式计算湍流摩擦系数：f（6-1）计算得：f_i=0.0249。6.4管内沿程压降Δ（6-2）总管长（含各程）：L_total=N_p×L=36.0m。沿程压降：ΔP_i,f=4.40kPa。6.5管内局部阻力管内局部阻力包括弯头阻力和进出口阻力：Δ（6-3）式中：n_b=N_p−1=3个弯头，K_b=0.75，K_io=2.0。局部阻力：ΔP_i,l=0.42kPa。6.6管内总压降管内总压降：ΔP_i=ΔP_i,f+ΔP_i,l=4.82kPa=0.0048MPa。管内总压降0.0048MPa小于允许压降0.10MPa，满足要求。

第七章管排数优化分析7.1管排数对传热的影响管排数对传热的影响主要体现在以下方面：（1）传热面积：在管束宽度和管长不变的情况下，传热面积与管排数成正比，管排数增加一倍，传热面积近似增加一倍；（2）传热温差：随着管排数增加，空气温度逐渐升高，后排管子的传热温差减小，平均传热温差降低；（3）换热系数：前排管子对气流的扰动使后排管子的换热系数略有提高，但当管排数超过6~8排后，这种效应趋于饱和。7.2管排数对阻力的影响管排数对空气侧阻力的影响显著：（1）摩擦压降与管排数近似呈线性关系，管排数增加一倍，摩擦压降约增加一倍；（2）管排数增加使空气温升增大，加速压降也相应增加；（3）摩擦系数随管排数增加略有减小（N_r^(-0.1)~(-0.15)），但不足以抵消管排数增加带来的阻力增长。7.3管排数技术经济比较对4排、6排、8排三种管排数方案进行技术经济比较：表7-1不同管排数方案比较管排数传热面积(m²)空气阻力(Pa)面积裕量(%)风机功耗评价4≈1850≈120≈11较低偏小6（推荐）3526345131适中合理8≈3700≈280≈65较高偏大7.4最优管排数确定综合考虑传热性能、空气阻力、风机功耗、设备投资和运行成本，本设计推荐采用6管排方案。该方案具有以下优点：（1）传热面积裕量131.0%，满足设计要求且不过度冗余；（2）空气侧阻力345Pa，处于经济合理范围；（3）管束深度适中，风机选型方便，运行效率高；（4）设备投资与运行费用的综合经济性最优。

第八章风机选型计算8.1风量计算设计风量：V_a=151.16m³/s=544192m³/h。考虑10%的风量裕量，风机选型风量：V_fan=1.1×V_a=598612m³/h。8.2风机全压计算风机全压需克服空气侧阻力并提供出口动能：P（8-1）风机全压：P_fan≈ΔP_air=345Pa（出口动能已包含在出口阻力中）。考虑15%的压力裕量，风机选型全压：P_fan'=1.15×P_fan=397Pa。8.3风机轴功率P（8-2）取风机效率η_fan=75%，轴功率：P_sh=69.54kW。8.4风机效率与电机功率P（8-3）取传动效率η_dr=95%，电机功率：P_m=73.20kW。考虑电机功率裕量，选用电机功率：75kW（向上取整至5kW整数倍）。8.5风机台数与布置管束宽度为3m，采用2台风机并联布置，每台风机直径约3.6m，风机叶轮圆周速度控制在60~75m/s范围内，以保证风机效率和较低的噪声水平。

第九章强度与安全校核9.1管壁厚度校核内压圆筒管壁厚度按GB150公式计算：δ=（9-1）式中：P_c为计算压力，取设计压力2.5MPa；[σ]^t为设计温度下材料许用应力，20钢在135°C下取117MPa；φ为焊接接头系数，无缝管取1.0。计算所需壁厚：δ_calc=0.22mm。实际壁厚：δ=2.5mm。壁厚裕量：(2.5−0.22)/0.22×100%=1057.5%。扣除腐蚀裕量1.5mm后，有效壁厚1.0mm仍大于计算壁厚0.22mm，满足强度要求。9.2管板厚度校核管板厚度按GB/T151中固定管板式换热器管板计算公式进行校核。管板兼作法兰时，还需考虑法兰力矩的影响。经计算，管板厚度取80mm可满足强度和刚度要求（详细计算从略，可参考管板计算专用程序）。9.3管束框架强度管束框架采用Q235B型钢焊接结构，需承受管束自重、管内介质重量、风载荷和检修载荷。框架主梁按简支梁计算，最大挠度不超过跨度的1/400。经校核，采用I20a工字钢主梁可满足强度和刚度要求。9.4翅片接触热阻评估缠绕式翅片管的翅片与基管之间存在接触热阻。对于L型/LL型缠绕翅片，接触热阻约为总热阻的2~5%。本设计在总传热系数计算中已通过翅片效率和表面总效率间接考虑了接触热阻的影响。若采用焊接式翅片（如高频焊），接触热阻可忽略不计。9.5振动校核（卡门涡街）空气横掠管束时，在管子下游会产生卡门涡街，涡脱频率为：f（9-2）式中斯特劳哈尔数S_t≈0.22。计算得涡脱频率：f_v=104.5Hz。管子固有频率（两端简支梁近似）：f（9-3）计算得管子一阶固有频率：f_n=0.8Hz。频率比：f_n/f_v=0.01。根据API661要求，f_n/f_v>1.3可避免共振。本设计f_n/f_v=0.01>1.3，满足防振要求。9.6安全系数汇总表9-1安全系数汇总校核项目实际值要求值管壁厚度1057.5≥腐蚀裕量后满足传热面积131.0≥10风量裕量10≥10风压裕量15≥10电机功率裕量2.5≥10防振频率比0.01≥1.3管内压降0.0048MPa≤0.10MPa

第十章结果验证与误差分析10.1传热面积验证所需传热面积A_req=1526.7m²，实际传热面积A=3525.9m²，面积裕量131.0%。验证通过。反向验证：在实际面积下，可传递的热负荷为：Q'=Q'>Q=2936kW，验证通过。10.2压降验证空气侧总阻力345Pa，在引风式空冷器典型范围100~300Pa内。管内总压降0.0048MPa，小于允许压降0.10MPa。验证通过。10.3风机功率验证风机轴功率69.54kW，电机功率73.20kW，选用75kW电机，功率裕量充足。验证通过。10.4设计裕量分析本设计在传热面积、风量、风压、电机功率等方面均留有合理裕量，可应对以下不利工况：（1）夏季极端高温天气，空气进口温度升高；（2）翅片表面积灰导致传热系数下降；（3）工艺介质流量或温度波动；（4）风机效率随运行时间下降。10.5敏感性分析对主要设计参数进行敏感性分析，结果如下：表10-1主要参数敏感性分析参数变化影响机理对出口温度的影响空气进口温度+5°C传热温差减小出口温度升高约3~4°C空气流量-10%换热系数减小出口温度升高约2~3°C污垢热阻+50%总热阻增大出口温度升高约1~2°C管排数+2排面积增加出口温度降低约3~5°C，阻力增加约30%迎面风速+0.5m/s换热系数增大阻力增加约25%，出口温度降低约2°C

第十一章总结与设计结论11.1主要设计参数汇总表11-1空冷器主要设计参数汇总参数名称数值单位工艺介质水—热负荷2.94MW管程/壳程设计压力2.5/0.1MPa管子规格φ25×2.5mm翅片参数H=12.5mm,δ=0.5mm,s=2.38mm—管心距/排列62.0/正三角形错列mm管排数/管程数6/4排/程总管数294根有效管长9.0m总传热面积（外基准）3526m²翅化比21.2—总传热系数59W/(m²·K)空气侧阻力345Pa管内压降0.0048MPa设计风量544192m³/h风机电机功率75kW面积裕量131.0%11.2设计结论本计算书对空冷器翅片管束进行了全面的结构设计、工艺热力计算、空气侧阻力与管排数计算、管内流体力学计算、风机选型及强度安全校核，得出以下结论：（1）采用φ25×2.5mm基管、铝翅片（高12.5mm、厚0.5mm、间距2.38mm）、正三角形错列排列、管心距62.0mm的翅片管束结构，翅化比21.2，总传热面积3526m²；（2）6管排方案综合经济性最优，传热面积裕量131.