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第一节 空压机冷却器市场基本生产技术、工艺或流程
一、空压机中间冷却器的适用范围和设计参数确定
为了更深入的理解中间冷却器的多样性和复杂性，了解其适用范围、特征和重要参数的取值依据是非常必要的。下面是据此归纳的特性表。
中间冷却器技术特性
从上表中可以看出，温度范围、允许压力损失、污垢系数三项指标数值变化较小，而空气的流量范围、压力范围、相对湿度三项指标变化范围较大。热负荷（换热量）的大小是决定换热器面积的主要因素，而上述三项指标的大范围工况跨度决定了热负荷（换热量）的差异很大，在中间冷却器几何外形上的反映尤为直观，下表可见一般。
中间冷却器特征
温度变化范围和允许压力损失范围从数值上看波动范围小，但这两项指标恰恰是中冷器必须严格遵循指标，是保证压缩机在性能曲线上运行的前提。在国外的中冷器技术协议中，经常见到诸如：出口温度升高一度，压力损失超过一毫巴.扣除货款x%的附加条款，可见这两项指标对整个机组的重要程度。相对湿度是当时当地大气的相对湿度，随着季节和天气的变化而变化，进入压缩机经过一段压缩和冷却后，饱和分压达到100%，过饱和部分冷凝析出。以出口压力1MPa的空压机为例，占75%的水蒸气在中冷器内被冷凝排出，所以中间冷却器的设计中要增设冷凝水的分离排放系统。
污垢系数在整个中冷器运行中是一个逐渐增大的数值，它的存在对有效换热是一种阻碍（也称热阻），在设计中应予以重视，通常污垢系数的取值是在最恶劣工况下且满足中冷器使用的极限值，在充分考虑空气环境，检修周期，水质条件的前提下，由用户和设计方共同确认，保证中冷器和真实工况的吻合，实现中冷器效益的最大化。
二、中间冷却器的结构形式与适用场合
中间冷却器的核心元件是换热管，在中冷器中，换热管有以下几种形式：光管，翅片管。
1、光管—中间冷却器
光管制成的中间冷却器主要是GB151中定义的换热器形式，即：固定管板式；浮头式；U型管式；填料函式。
换热管规格为φ25；φ20；φ19；φ16。材质为：20#；不锈钢；铜及铜合金。
在流量小于30000NM3/h；进气压力小于1.6MPa；机组为双层布置；对压力损失要求不严格；机组作为动力站使用时，可采用固定管板式、浮头式中冷器，壳程走高温空气，管内走冷却水。这两种换热器浮头式优于固定管板式，因为浮头式结构可消除温差应力，管束可更换，缺点是成本高于固定管板式换热器。
在流量小于30000NM3/h；进气压力大于4.0MPa，对压力损失要求严格，可采用*型管式、填料函式中冷器，管内走高温空气，壳程走冷却水。在相同壳径下，U型管式为两程，而填料函式为单程，所以填料函式中冷器的损失小于U型管式结构，而制造成本则相反，在设计中可视损失要求而定。
在中冷器后单独配备分离器实现对冷凝水的分离排除。总体而言，光管形式的中间冷却器设备大，压力损失大，单位体积换热面积小，换热效率低，一般用在非重要的场合，不作为中间冷却器的首选形式，但因其成本低，维护简单，使用寿命长，制造工艺成熟，还有一定的应用领域，特别是U型管式、填料函式中冷器在空气压力较高的场合，是其他形式的换热器无法替代的。
2、翅片管—中间冷却器
在中间冷却器的全流量范围内，进气压力小于7MPa；对压力损失控制严格；要求中间冷却器体积小，结构紧凑，换热效率高，冷却水耗量小的场合，可采用翅片管—中间冷却器。同时，各种翅片管形成的换热器，有其各自的特点。
翅片管分为：板翅、绕翅、复合翅片管、内翅片管等几种形式。中间冷却器通常由壳体，管束，前、后盖，内置式分离器组成。壳侧（即翅片侧）走高温气体，管内走冷却水。管束由翅片管和管板组成，是完成换热的场所，此类中间冷却器的设计，就是围绕管束的设计展开的。
在气—水换热中，气侧的传热系数与水侧的传热系数相差至少一个数量级，强化气侧传热系数，是增大总传热系数，提高换热效率的关键，翅片管的翅化比（单位长度的翅片管面积与光管外表面积之比）通常在12以上，这大大弥补了气侧传热的先天不足，是光管换热器望尘末及的。气体在翅片间的流通面积大、流程短，压力损失小。
管材规格：φ19；φ18；φ16；φ12。材料：20#；不锈钢；铜及铜合金。翅片厚度：0.15-0.4mm。材料：AI，T2。换热管与翅片连接方式：胀接；钎焊，挤压复合。
板翅管是由一张张矩形的板片与换热管胀接成一个单元换热管，再由单元组成管束。板片先经冲压成形，按等边三角形或转角正方形冲出管孔，将换热管穿入孔中，管内打弹胀接成形。如在板翅上再开些沟槽，强化流经气体的湍流程度，换热效果会更好。板翅和换热管材料：Cu，AI。该类型管束适用于流量小，气速低，气压低，气流稳定的场合，它的换热性能较好，但强度低，抗振动能力差，胀接不好板翅与换热管易脱落。由于制造工艺限制，管束不能做大。
钎焊翅片管也叫绕片管，是用铜带缠绕在铜或铜合金换热管上，再用锡焊固定而成。翅片管外观质量好，片厚匀均，换热管截面有圆型和椭圆型两种，成型过程中对换热管没有机械损伤。该类型翅片管制成的管束，适合于全流量范围，但最高气温应小于130摄氏度，换热管与管板的连接不宜采用焊接结构。
复合翅片管是近几年来大量使用的换热管材料，它是在基管外套一厚壁铝管，通过专用轧辊，将铝管扎制成规定高度的翅片，同时，翅片根部残留的铝管部分被牢牢地挤压扎紧在基管上，不看翅片管断面，很难想象是两种材料复合而成的翅片管。翅片是铝（AI），基管可以是20#、不锈钢、铜及铜合金。翅片间距和翅片厚度通过调整轧辊间隙极易实现，设计的自由度大为增强。轧制的过程也是铝翅片冷作硬化的过程，加之后续的碱洗，烘干，翅片表面形成氧化膜，起到了防腐的作用。这种翅片管的整体性好，坚固耐用，适用范围广，换热效果也很理想，在一些重要项目，重大产品上多采用此类翅片管做中间冷却器，效果很好。
内翅片管是一种新型的换热管结构，它主要作为小流量，组装式离心压缩机配置的中间冷却器和出口冷却器。换热管与翅片为铜材，翅片夹装在换热管内，制成管束后，组装在压缩机级间管路内，管内走高温气体，管外走冷却水，翅片管长度1米左右。这种中间冷却器换热效率很高，压力损失很小。
上述中间冷却器的出口侧，都加装分离器，分离冷凝水，汇集到设备底部由疏水器排出。
翅片管式中间冷却器在离心空压机中大量应用，它的结构紧凑，低耗高效是其被选中的主要原因，但它组成管束的抗振动能力和翅片强度在设计中要充分考虑；翅片间的间距小，流道窄，易残留结垢，对气流的纯洁度应与限定。
第二节 空压机冷却器市场新技术研发、应用情况
压缩机冷却器对于压缩机组的经济和可靠运行具有十分重要的意义。同时，对于换热设备可以这样理解：工艺设计在换热设备中占有主导地位，机械设计是为了保证实现工艺计算中的传热和压降的一种手段，因此压缩机冷却器的工艺计算十分关键。
20世纪70年代以前，我国换热器的工艺计算往往限于自编程序和手工计算，在这之后，国内一些设计院所开始直接采用国际先进的传热软件进行工艺设计，但在压缩机行业推广则并不普遍。目前，国际通用的传热计算软件主要有：
(a)HTRI(HeatTransferResearch.Inc.)美国传热公司，采用会员制，只要交会费，会员便可以获得全部工艺设计资料及软件，还可参加其组织的会议及学术交流活动。
(b)HTFS(HeatTransferandFluidFlowservice)英国传热与流动服务中心，采用了更为灵活的办法，既可是会员，也可单独购买其软件。
上述两家公司的软件，用作投标文件时，是被广泛认可的。
实例
本文参考的设计实例是适用于石化炼油领域所需的大型往复式新氢压缩机组中的一级冷却器。
冷却器的设计输入及初步结构确定
该冷却器原始数据为：标态流量30300Nm3/h，进气温度40℃，气体成分：氢气，相对湿度1.0;压缩气体由110℃冷却至40℃，要求压降小于0.015MPa;冷却水温度由30℃升至38℃，允许最大压降0.05MPa;气/水侧污垢系数：0.0002/0.0008m2•h•℃/kcal;冷却器中气体压力4.2MPaA。
初选换热器换热面积85m2(含45%裕量，用户要求)，结构简图如图1所示。该冷却器为U形管式冷却器，气走壳程，水走管程。冷却器主要结构尺寸如表1所示。
根据已知设计参数进行冷却器的工艺校核(Rating)计算
将各项工艺参数和结构参数输入程序
输入内容包括以下几项：
本实例输入汇总如图2所示：
在输入参数的过程中应注意以下几点：
1、在工艺参数中工艺介质物性参数的输入非常重要：对于该实例单一介质可以从软件数据库中选取，但对于压缩机冷却器来说，许多情况下介质的组成为混合物，从数据库中难以选择合适的物质作为工艺介质，这时可选择“用户自定义组成”，需要为其输入以下关键工艺参数：工艺介质的临界温度、临界压力、平均潜热、操作温度下的气、液相密度、粘度、比热、传热系数等。除了可利用APSEN程序选择合适的状态方程模拟得到该混合物的物性参数外，最可靠的方法还是要通过文献或专利商的工艺包文件获得;
2、在输入工艺参数中，多级压缩机前几级应考虑饱和水蒸汽冷却和部分冷凝的影响。这部分不同于常规的换热器计算，往往经常被忽略，造成计算冷却面积不够;
3、结构参数的输入中应注意：国家标准GB151《管壳式换热器》对换热器结构尺寸作了明确规定，但一般国际通用商务传热软件都是根据TEMA等国外标准来设计换热器的，两者有一定的区别。因此，应在软件程序中找到GB15关于换热器每一项结构尺寸规定的对话框，按照GB151的要求输入这些数值，比如布管圆到换热器壳侧内壁的间距、防冲挡板距壳侧进口的距离等，方可设计出符合国家标准的换热器。
调整参数
完成参数输入后，运行软件，程序会给出计算报告。根据报告的提示需要对以下控制参数重点关注并做出相应调整，修改参数重新运行，以得出合理结果：
1、换热面积、设计裕量、总传热系数、校正温差等参数符合要求;
2、气侧、水侧流速与雷诺数在合理的范围内;
3、压降符合设定要求;
4、流路分析中，有效流所占比例合理;
5、无管束振动、声振动;不会因卡门漩涡、紊流抖动、流体弹性不稳定等原因产生流体诱导振动等。
实例计算报告如图3，布管图如图4，三维效果图如图5所示。
计算结果分析
图3为上述实例的计算报告，在计算报告信息栏中，没有给出任何异常信息，并指明冷却器运行稳定，对比各控制参数符合良好。从使用单位反馈的意见中也证明该台冷却器在实际生产过程中满足设计要求，运行良好。
应用国际通用商务软件进行压缩机冷却器的工艺计算，能够做到：
(1)准确计算出所需的换热面积和设计裕量;
(2)准确分析出工艺流体在换热器管内的物理变化过程;
(3)计算真实的循环量和气化率;
(4)准确计算出管、壳程介质的阻力损失;
(5)在运算信息栏中给出冷却器运行的各种报告，包括振动报告，稳定运行报告以及流体流速和流型报告，易于实现冷却器的优化设计。
因此，该方法在压缩机冷却器工艺计算领域具有很强的实用性和推广价值。
第三节 空压机冷却器市场国外技术发展现状
翅片管是空冷器用以传热的关键部件，它的好坏直接影响传热效率。美国的赫德森公司和法国的克鲁索-鲁瓦尔公司都不主张在湿式空冷器上使用单L型翅片管。认为直接喷水会加剧翅片和基管的电化学腐蚀程度，导致热阻增加，传热效率下降，空冷器寿命缩短。
目前，国外空冷器技术研究主要集中在电站空冷器上，技术主要被美国SPX和德国GEA公司所掌握。
第四节 空压机冷却器市场技术开发热点、难点分析
空压机冷却水温和水量一样对冷却效果有重要影响，但并不是冷却水温越低越好，水温应保持在适当的范围内:
对于中间冷却器，内部水温不应超过40℃，否则，容易在冷却器的内壁上结有水垢。因此，冷却器入口处水温应在20℃～30℃，进出口水温之差保持在15℃～20℃为宜。
对于气缸冷却，冷却水温过低则压缩机在膨胀时缸内空气中的水分凝结，在压缩时容易导致水击；水温过高冷却效果不明显。一般情况下，气缸冷却的进水温度须在30℃以上。
综合上述两种冷却形式，对压缩机可采取混联式冷却，图所示。采用该形式冷却，冷却水先流过中间冷却器，冷却管线内气体再分别流向高低压气缸冷却水套及气缸。这样可充分利用冷却水而又不会对设备造成隐患。
压缩机混联式冷却示意图
空压机工作时气体的工作过程比较复杂。如何及时有效地释放压缩中产生的热量，对提高空压机的工作效率、节约能量均具有十分重要的意义。目前，国内空压机的冷却技术尚需深入研究及开发,从而保证空压机可靠、高效地运行。
第五节 空压机冷却器市场未来技术发展趋势
采用空气冷却器可节省大量工业用水，减少污染，保护环境，降低基建费用。目前，研制低接触热阻和高传热效能的翅片管、低电耗、低噪声是冷却器发展的关键。
