近年来，随着我国水资源形势的愈加紧张，工业节水政策密集出台，仅2019年，国家先后发布《国家节水行动计划》、《京津冀工业节水行动计划》、《18项工业用水定额》等多项工业节水政策，倒逼高耗水工业提高用水效率。循环冷却水水量占工业用水总量的80%左右，循环冷却水取水量占工业取水总量的30%~40%〔1〕，是最主要的耗水单元之一，密闭式循环冷却系统以其节水、高效的特点，受到广泛的研究和应用。空气冷却器在工业循环冷却水系统有着非常广泛的应用，根据循环冷却水是否与大气接触，将空冷器分为开放式和密闭式两种。开放式空冷器主要通过循环冷却水本身的蒸发吸收热量，然后由空气将热量带出，从而实现冷却的目的，循环水的蒸发损失量较大，约为循环水量的1%~2%〔2〕，同时蒸发导致循环水浓缩，水质变差，排污水量损失大。而密闭式空气冷却器是将循环水在密闭的换热管束内循环，通过换热管束与空气进行间接换热，避免了循环水的直接蒸发，水损失量大幅降低。
密闭式空气冷却器（以下简称空冷器）根据其结构和运行方式不同可分为干式空冷器、湿式空冷器和干湿联合空冷器三大类，通过对不同空冷器的特点和应用研究现状进行简要探讨，为企业对空冷器的选择和行业发展提供参考。
1 密闭式空冷器的分类和特点
1.1 干式空冷器
干式空冷器单纯地依靠空气进行冷却，不使用喷淋水。其主要结构包括风机、管束、密封箱。在风机的作用下，冷空气穿过换热管束，通过管束的管壁与其内部流动的待冷介质进行间接换热。该空冷器理论上无需耗水，管束基本没有结垢的问题，水处理药剂费用和运行维护费用低。
1.2 湿式空冷器
表1 不同湿式空冷器的特点
Table 1
| 空冷器名称 | 主要原理 | 优点 | 不足 | 适用性 |
| 增湿型空冷器 | 通过喷淋装置，对进入空冷器的空气进行加湿，使空气接近饱和，温度下降接近其湿球温度，从而增大空气与空冷器管束的换热温差 | 结构简单，适宜干空冷的升级改造，投资费用较低；管束基本不存在结垢问题，可处理较高温度的循环水 | 换热效率低，占地面积较大 | 适用于干球温度与湿球温度相差大的低温低湿地区 |
| 淋水式空冷器 | 通过喷淋装置，向管束或翅片表面淋水，淋水量大，利用水显热和部分蒸发潜热，强化传热效率 | 结构简单，喷淋水易控制，换热效率较干空冷可提高1倍 | 管束表面存在一定的结垢腐蚀倾向，换热效率提升小 | 适用于中温中湿的气候环境地区 |
| 水膜蒸发式空冷器 | 通过淋水装置，在管束表面或翅片表面布置一层薄水膜，通过风机使气流掠过水膜，强化水膜蒸发传热 | 利用水膜蒸发潜热，在湿空冷器中具有最高的换热效率，设备紧凑，占地面积小 | 水膜成型对喷淋设备和水质要求高，管束表面易结垢，在处理较高温度的循环水时，结垢倾向更加明显 | 适用于高温低中等湿度地区 |
湿式空冷器根据喷淋水和空气流向的不同分为逆流式和顺流式两种方式。逆流式是指喷淋水自上而下，而空气自下而上流动形成逆流，该方式结构简单，应用广泛，但存在由于逆气流在基管下部形成了干区问题，影响水膜布置，降低了湿式冷却的有效换热面积，在一定程度上影响了换热效果。顺流式是指空气与喷淋水均由上而下运行，该方式一般需要采用U型风道，占地相对较大，但解决了逆流换热带来的干区问题，布水更加稳定，换热效率有所提升，典型的形式是填料预冷式空气冷却器。
湿式空冷器在运行模式上，可根据外界气象条件的不同，选择不同的冷却模式，在低温时可仅运行纯空冷模式，仅通过空气冷却即可满足冷却负荷需求，无需耗水。在高温环境时，开启喷淋布水运行湿式冷却模式，强化传热，起到削峰的目的〔14〕。在我国北方地区，湿式冷却模式一般仅夏季运行，水的蒸发损耗可大幅降低。
图1
图1
湿式空气冷却器
1—风机；2—密封箱；3—换热管束；4—集水槽；5—喷淋水循环泵；6—喷淋管；7—收水器；8—填料
Fig.1
Wet air cooler
图2
1.3 干湿联合空冷器
干湿联合空冷器是将干式空冷器和湿式空冷器以一定形式进行组合，从而实现二者优势互补的一种冷却器。根据组合方式的不同，将干湿联合空冷器分为分建式和组合式两种。
图3
图3
电厂典型分建式干湿联合空冷器
1—汽轮发电机组；2—表面凝汽器；3—干式空冷器；4—湿式空冷器；5—凝结水箱
Fig.3
Typical independent dry-wet joint air cooler in power plant
组合式干湿联合空冷器是将空冷器的换热管束分为干空冷段和湿空冷段两部分，二者串联连接，湿空冷段设置喷淋装置。结构上，干空冷段和湿空冷段一般为上下结构，占地面积小。
图4
图4
典型组合式干湿联合空冷器
1—风机；2—密封箱；3—干空冷段管束；4—集水槽；5—喷淋水循环泵；6—喷淋管；7—收水器；8—湿空冷段管束
Fig.4
Typical combined dry-wet joint air cooler
循环冷却水的流向为干空冷段—湿空冷段，一方面干空冷段对循环水进行预冷，可降低湿空冷段的循环水温度，避免管束表面达到垢温，从而降低湿空冷段的结垢倾向〔18〕。另一方面可有效降低湿空冷段的蒸发强度，实现节水的目的。空气流向为湿空冷段—干空冷段，空气在湿空冷段存在一定的蒸发，吸热量大，但空气温升低，从而增大干空冷段的换热温差，提高整体换热效率。
2 密闭式空气冷却器的研究方向
2.1 主要研究内容
密闭式空气冷却器理论在20世纪70年代开始逐步建立，经过多年的发展，相关的传热传质理论模型的研究已经逐渐发展成熟。国内的研究起步较晚，研究的重点是在利用相关的传热传质计算方法的基础上，进行结构的优化。目前，由于干式空冷器对气温环境的敏感度高，换热效率较低，因此应用区域和应用领域具有很大的局限性。湿式空冷器和干湿联合空冷器是应用最为普遍、研究最为广泛的冷却器形式，其中水膜蒸发空冷器也是国家重点推荐的节水技术装备。水膜的蒸发换热过程是整个湿式传热过程的控制阶段〔23〕，因此强化水膜换热被认为是提高湿式空冷器传热效率的重要途径。
水膜强化提升空冷器冷却能力的同时，伴随着因水膜温度升高和水膜蒸发，喷淋水中致硬离子析出，在管束表面沉积造成的表面结垢腐蚀等现象，是湿式空冷器应用面临的重要问题。
2.2 水膜强化研究
2.2.1 影响水膜布置的因素
水膜在管束表面的流动形态主要受到流动表面的形状、性质以及气流阻力影响。多数冷却器管束基管为圆形管，采用逆流布水的方式。当喷淋水到达光管表面后，在表面张力、重力、附着力等作用下，沿光管表面流动，继而形成一层连续的水膜。水膜覆盖率与喷淋强度、迎风面风速有直接关系。
当喷淋强度过小时，水滴在表面张力的作用下，会收缩成团，并在达到一定质量后，在重力作用下沿着光管表面流动，从而形成断续蠕动流。喷淋强度过大，水膜在光管底部形成边界分离层，从而形成干区。迎风面风速过大，则也有可能在光管底部形成飞溅区。以上因素均可能降低有效换热面积。
图5
图5
光管水膜成型的主要问题
Fig.5
Main problems of water film on the surface of circular tube
2.2.2 强化水膜布置的途径
根据上述对水膜布置影响因素的分析，选择合适的喷淋强度和迎风面风速是保证布膜稳定的首要因素，另外可从管型选择、表面亲水处理、增加水膜换热面积等方面对水膜布置进行强化。
（3）表面亲水处理。表面亲水处理，特别是翅片亲水涂层处理，在暖通空调领域已经有多年的应用，其处理方法主要是通过强化翅片表面亲水性，降低水滴在换热管表面的亲水角，一方面可使水蒸气凝聚而形成的水膜能够沿翅片表面快速舒展成膜，流出翅片外，防止在翅片间“搭桥”，影响散热，另一方面可起到秋冬抑霜的作用〔29〕。而在湿式空冷器方面，则利用这种亲水特性，降低水膜布置厚度，提高水膜布置稳定性和水膜更新速率，有效增强水膜传热传质效果。
河钢集团有限公司和天津大学联合研发了一种基于水膜冷削峰的高效干湿联合空冷器，通过应用亲水涂层翅片，管束斜向布置，解决了水平管束翅片不易挂膜和水膜厚度大的问题，提高了水膜稳定性，换热效率高，且与传统开放式冷却塔相比，节水90%以上。
2.3 结垢控制
2.3.1 结垢产生的原因
通常可采用Puckorius指数（PSI）来判断水的结垢腐蚀倾向，其计算式为：
式中：pHs——喷淋水饱和pH；
pHeq——喷淋水平衡pH。
PSI=6稳定；PSI＜6结垢；PSI＞6腐蚀。
对于湿式空冷器，喷淋水在换热界面形成水膜并与界面换热，一方面水膜温度升高，则pHs降低，另一方面水膜表面存在蒸发传质，喷淋水存在一定的浓缩，使硬度、碱度升高，则pHeq增大，二者共同作用则PSI指数减小，即结垢倾向越大。同时，管束表面粗糙，硬度析出时容易在表面沉积致使污垢不断生长变厚，同时吸附空气中的灰尘等杂质，而发生大面积结垢。
2.3.2 结垢控制方法
结垢控制方法主要从源头、过程和末端三方面考虑。
结垢的主要成分来源于循环水中的Ca、Mg、Si等致垢离子，因此可考虑采用软水或脱盐水进行喷淋。经过软化或脱盐后，水中的致垢离子含量大幅降低，从而控制结垢物质来源。当前，双膜法脱盐水制备工艺已经发展成熟，且已经广泛应用，制水成本明显降低，湿式空冷器喷淋水消耗量小，采用软水或脱盐水喷淋能提高设备寿命，降低除垢维护成本，从长远看，具有一定的经济效益。
末端处理是指结垢层的去除，一般采用化学清洗的方法。首先对垢层进行化学分析，确定结垢类型。对于碳酸盐垢，通常采用盐酸配方清洗；硅酸盐垢可采用氢氟酸配方清洗。清洗过程包括高压水清洗—酸洗—高压水冲洗—钝化、预膜。末端处理操作复杂，需要使用大量的酸碱药剂，容易造成二次污染，如清洗不当，还可能会造成管束腐蚀加剧，应尽量避免过于频繁的清洗。
3 结语
冶金、电力、化工等工业领域中，循环冷却水应用非常广泛，循环冷却水系统是重点的共性耗水单元之一。密闭式空气冷却器是实现工业节水的重要技术手段，随着国家水资源形势的愈加严峻，该技术也加速发展应用。相对于干式空冷器，湿式空冷器冷却能力强，环境适应性好，应用更为广泛，其中水膜蒸发型湿式空冷器具有最高的换热效率，如何实现高效布膜，提高水膜传热传质是当前该技术的主要研究方向。对技术应用过程中出现的结垢等问题关注不足，但这是影响设备长寿、造成换热效率衰减的不可忽视重要因素。对于密闭式空气冷却器的研究，应结合高效换热材料的研发、防腐防垢亲水涂层的发展，借助CFD等模拟手段，对结构和流体不断优化，实现换热效率和设备寿命的突破。
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