CAC(空空中冷)
某柴油机车型CAC中冷器的理论设计
某柴油机车型CAC中冷器的理论设计作者：苏宁宁苏国勇乔书珂来源：《科技视界》2016年第23期【摘要】进气增压冷却是提高柴油机功率、降低柴油机热负荷的重要方法，为了满足柴油内燃机向高速、大功率发展，中冷器进行了相应的蜕变，本文介绍了中冷器芯体的设计与整车的布置的校核，选择最优的芯体，达到减重及降低单车成本的目的。
【关键词】柴油机；中冷器；芯体现柴油车上普遍采用涡轮增压器，空气经过增压器后，压力增加，温度升高，不同的增压比，增压后的出气温度一般可达100-200℃之间，中冷器可降低增压后的空气温度，提高充气效率，达到降低排放的目的。
中冷器分为水冷式和风冷式，下文主要介绍风冷式CAC中冷器，以环境空气为介质来冷却增压发动机进气的热交换器。
1 专业术语中冷器主要有芯体、气室组成。
芯子由散热带、冷却管、主板、侧板等组成，芯体是设计中冷器的关键，芯体设计会用到以下参数：1.1 冷侧中冷器与冷却空气接触面。
1.2 热侧中冷器与增压空气接触面。
1.3 冷侧迎风面积At垂直与冷却空气流动的芯体的正面积，芯体正表面芯高H与芯宽W的乘积。
1.4 散热面积Ac是散热管与散热带的暴露在空气中的外表面积之和。
1.5 热侧空气放热量Qh中冷器在稳定工作状态时，热侧空气所放出的热量，单位为Kw。
Gh：增压空气质量流量，单位Kg/hCph：增压空气热比容，单位KJ/Kg.℃，一般取1.009 KJ/Kg.℃thi：中冷器热侧进气温度，单位℃tho：中冷器热侧出气温度，单位℃1.6 冷侧空气吸热量Qc中冷器在稳定状况下所吸收的热量，单位为Kw。
Gc：冷侧进气质量流量，单位Kg/hCpc：冷侧空气热比容，单位KJ/Kg.℃，一般取1.005 KJ/Kg.℃tci：冷侧空气经过中冷器前进气温度，单位℃tco：冷侧空气经过中冷器后进气温度，单位℃1.7 设计散热量QD在规定条件下将增压空气冷却到规定温度时，热侧空气的放热量，是发动机对中冷器的热侧放热量QD要求的最低限值。
空冷简介
空冷凝汽器简介摘要：建设一座湿冷电站的耗水量可以建设4-10座同容量空冷电站，可减少发电厂补水量的75%；空冷（简称ACC）根据蒸汽冷凝方式不同可分为直接空冷和间接空冷两种，其中间接空冷又分为海勒式间接空冷和哈蒙式间接空冷。
直接空冷的工作原理是将汽轮机排汽缸的乏汽通过管道引至空冷凝汽器中被空气冷却，而成为凝结水。
空冷设备主要有散热器、轴流风机等。
一般轴流风机的负荷调节范围为额定负荷的0％～110％。
关键词：空冷凝汽器（Air Cooling Condenser），节水，环保，直接空冷，环境温度，顺流区，逆流区，翅片管，轴流风机，凝结水温，溶氧量。
我国北方地区气候比较干旱,水资源十分宝贵，特别是我厂所处的地理位置是在毛乌素沙漠边缘地带，煤炭资源丰富缺水现象严重。
此外，环保方面也对冷却水的排放提出了更为严格的要求。
而空冷机组因其卓越的节水性能而备受青睐, 建设一座湿冷电站的耗水量可以建设4-10座同容量空冷电站，可减少发电厂补水量的75%。
所以考虑到我厂的实际情况，在扩建的三期工程2×135MW汽轮发电机组中采用直接空冷来代替湿冷，在此我简单介绍一下空冷的一些概况。
空冷（简称ACC）根据蒸汽冷凝方式不同可分为直接空冷和间接空冷两种，其中间接空冷又分为海勒式间接空冷和哈蒙式间接空冷。
在此主要介绍直接空冷，直接空冷是指汽轮机排汽通过大直径排汽管引至空冷器由冷空气直接冷却，热交换发生在空冷器中。
直接空冷在国外最早是在20世纪30年代末德国的鲁尔煤矿坑口电厂，而在国内最早是20世纪60年代，但是真正发展应用是在近一两年内才出现的，主要有山西榆社、神二、大二、漳三、古交、河曲、大唐云冈等单机容量为300MW－600MW的电厂。
与常规的湿冷相比，其厂址选择自由度大、节水、环保、负荷可调、空气流量调节灵活简单，管内积垢少，管道腐蚀小，无泄漏危害，无需水质处理等优点。
但空冷系统庞大，厂用电消耗较湿冷大，特别是在启动机组时抽真空困难，启动时间长，真空较低，传热系数小，背压较水冷机组高等缺点。
空空中冷
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Intake Systems 进气系统
Verification Procedures 评审程序
应用工程培训
设计评审 产品检查 产品测试 发动机运行在最大功率点附近 冷却性能：进气歧管温度与环境温度的差值。 冷却性能：进气歧管温度与环境温度的差值。 测试时环境温度应在32－ ℃ 不得低于21℃ 测试时环境温度应在 －43℃，不得低于 ℃ 系统阻力
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
•
中冷器应能在温度和压 力循环变化的环境中保 持其强度并提供足够长 的服务期。 的服务期。 推荐使用铸铝气室。 推荐使用铸铝气室。
• •
设计和制造中冷器需要专门的技术和设备， 设计和制造中冷器需要专门的技术和设备，必须由 专业厂家来完成。 专业厂家来完成。
康明斯发动机应用工程培训
CHARGE AIR COOLING SYSTEM 空对空中冷系统
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
应用工程培训
FUNCTION OF CAC SYSTEM 空空中冷系统的作用 用空气作热交换介质， 用空气作热交换介质，通过空对空中冷器把增压 以后的高温进气冷却到足够低的温度，以满足排 以后的高温进气冷却到足够低的温度， 放法规的要求， 放法规的要求，同时提高发动机动力性能和经济 性。
2200 1400
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
•
中冷系统管路布置应 简洁， 简洁，尽量减少方向 的改变。管路应设固 的改变。 定装置。 定装置。不能使用橡 胶弯头来改变方向， 胶弯头来改变方向， 因为它会被高压进气 吹脱落。 吹脱落。康明斯可提 供旋转式金属弯头用 于增压器压气机出口 的连接。 的连接。
CAC(空空中冷)
Performance Data
RPM Air To Turbo m3 / min 21.3 11.6 Air From Turbo Flow Kg / min 24.9 13.6 Pressure kpa 195 130 Heat Rejection Coolant kw 105.0 66.0 Air kw 63.0 26.0
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
应使用渗铝钢管或不锈钢管，并对管路内外壁进 行防腐处理。 橡胶管应能适应高温、高压的工作状态。推荐使 用Nomex纤维增强硅胶管，外带增强保护钢丝。 康明斯可提供多种标准管径的胶管供选择。
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Design Guidelines 设计指南
应用工程培训
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Design Guidelines 设计指南
应用工程培训
中冷器与散热器不能互相遮挡芯部
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Intake Systems 进气系统
Verification Procedures 评审程序
应用工程培训
设计评审 产品检查 产品测试 发动机运行在最大功率点附近 冷却性能：进气歧管温度与环境温度的差值。 测试时环境温度应在32－43℃，不得低于21℃ 系统阻力
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
汽轮机直接空冷系统概述
汽轮机直接空冷系统概述直接空冷系统亦称为ACC(Air Cooled Condencer) 系统，它是指汽轮机的排汽引入室外空冷凝汽器内直接用空气来将排汽凝结。
其工艺流程为汽轮机排汽通过大直径的排气管道引至室外的空冷凝汽器内，布置在空冷凝汽器下方的轴流冷却风机驱动空气流过冷却器外表面，将排汽冷凝为凝结水，凝结水再经凝结水泵送回汽轮机的回热系统。
直接空冷机组原则性汽水系统1—锅炉； 2—过热器； 3—汽轮机； 4—空冷凝汽器；5—凝结水泵； 6—凝结水精处理装置；8—低压加热器；9—除氧器； 10—给水泵； 11—高压加热器；12—汽轮机排汽管道；13—轴流冷却风机； 14—立式电动机；15—凝结水箱； 17—发电机直接空冷系统的空冷岛部分直接空冷系统的特点直接空冷系统是将汽轮机排出的乏汽，由管道引入称之为空冷凝汽器的钢制散热器中，由环境空气直接将其冷却为凝结水，减少了常规二次换热所需要的中间冷却介质，换热温差大，效果好。
该系统的主要特点还有：1、自然界大风的影响比较严重。
在夏季，自然气温普遍较高，如在这一时段再受到自然大风的影响，必然对机组的运行产生影响。
各电厂在夏季高温段遇到外界大风时，均有不同程度的降负荷现象，特别是山西漳山电厂、大一电厂、大二电厂在夏季高温时段皆因受到大风的影响，出现过机组跳闸现象。
自然大风影响是一个世界性难题，对直接空冷机组影响是很大的。
但是，自然大风的影响又是很难人为克服的。
因此，大一电厂在厂房顶部安装了测风装置采集数据，准备在进行相关数据分析的基础上，做出空冷机组应对自然大风的预案，尽量将因大风影响造成的损失降至最低。
榆社电厂、漳山电厂也准备采取同样的措施。
这种方法是否行之有效，还有待进一步探讨。
2、机组的真空系统严密性是一个普遍存在的问题。
特别是有一个奇怪的现象，就是有些电厂在机组刚投运时，空冷系统的严密性较好，但通过运行一年半载后，出现了反常现象。
由于空冷机组的真空容积庞大，汽轮机泄漏、安装焊接等原因，都会在很大程度上影响真空系统的严密性，致使机组背压提高，增大了煤耗，降低了机组带负荷的能力。
汽车空空中冷器的设计
汽车空空中冷器的设计李锐;罗宏锦;莫梦婷【摘要】随着匹配涡轮增压发动机的汽车越来越多,为了降低涡轮增压后进气温度高带来的负面影响,中冷器成为基本配置,主要介绍了常用空空中冷器开发过程中的一些设计要点,推出了一种中冷器性能计算方法.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P72-75,84)【关键词】涡轮增压;中冷器;设计;换热【作者】李锐;罗宏锦;莫梦婷【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州545007【正文语种】中文【中图分类】U464.135汽车涡轮增压器的涡轮机是通过发动机排气驱动的，发动机排温接近八九百度，热传递到增压器侧，进气温度随之升高，且增压器压缩空气，也会导致进气温度升高。
进气温度过高会导致发动机爆震，从而产生增压效果降低、发动机寿命短等负面影响，因此增加中冷器对于涡轮增压发动机非常必要。
1 中冷器分类中冷器按冷却介质分为水冷中冷器和空空中冷器[1]。
水冷中冷器通常集成在进气歧管上，利用散热器的冷却液对歧管内气体进行冷却，热效率低，冷却后的温度很难满足发动机要求，但响应时间快。
空空中冷器通常与散热器一起布置在整车前端，利用车子运行时的气流对增压空气进行冷却，热效率较高，但由于中冷管路的容积延缓了响应时间。
目前车用中冷器多采用空空式中冷器，原理图见图1。
图1 增压发动机空空中冷器原理图2 中冷器常见布置型式汽车增压发动机空空中冷器有以下几种常见的布置型式。
2.1 前置式前置式中冷器一般横置在前蒙皮内侧，位于散热器冷凝器之前偏下位置。
这种布置方式因其位于车体最前端，利用整车迎面风进行散热，冷却性能好、维修也方便。
2.2 集成式集成式中冷器布置在冷凝器与散热器之间，三器集成一体。
该布置迎风面积大，冷却性能较好。
但增加了系统冷侧的风阻，需额外加大散热器或风扇功率，且中冷器压降较大。
康明斯发动机产品介绍
Midrange: B and C Series 机械式B和C系列发动机(Tier1)
B3.9/B5.9 High Efficiency Diesel Engine B3.9/B5.9 高效柴油发动机
A系列发动机国内主要应用
1.5-6吨挖掘机：玉柴，山河，南特，柳工，临工等 1.5-3吨叉车：合肥，杭州，大连，大宇等 农机：
Cummins B3.3
B3.9
B3.3
B3.3 尺寸比较
B3.3
3.3 升 / 4 缸 工业用途，机械控制 为工程机械市场设计 满足Tier2排放法规； Manufactured in Cummins joint venture facility at Oyama, Japan 在康明斯日本合资企业制造 Marketed, Supported, and Serviced worldwide by Cummins 康明斯世界范围市场服务支持
A系列，机械控制； B3.3，机械控制； B4.5T/4BTAA/6BTAA，机械控制； QSB3.9/QSB5.9，电控； 6CTAA，机械控制/空空中冷； QSC/QSL，电控/空空中冷； QSM，电控/空空中冷； QSX，电控/空空中冷，； QSK19，电控/空空中冷； QSK23,电控/空空中冷； QST30，电控/水中冷； QSK45/QSK60，电控/水中冷； 目前欧美等国家正在执行Tier2排放法规
皮带传动系统：带有自动张紧机构，使皮带免于维护 大修：缸体具有多次重复镗缸能力，维修用气缸衬套和气门导管可以多 次使用 连杆：锻造连杆具有最大的结构强度，斜切口的连杆大头及埋头螺丝使 维修更加方便 曲轴：感应淬火锻钢曲轴具有最大的强度和多次重磨能力，降低长期使 用成本 缸体：很多零件铸在缸体上，使刚度进一步加大，延长轴承、镗孔和活 塞的使用寿命 燃油系统：采用Bosch优质直列柱塞或转子高压油泵和喷油器，具有更高 的燃油经济性 涡轮增压器：全部采用Holset增压器，H1C型带整体式废气旁通阀，进一 步改善低速反应及动力性 活塞：铝合金活塞镶有两道耐蚀高镍铸铁环槽，提高了活塞和活塞环的 使用寿命
空冷技术介绍讲课稿
配管，进入空冷散热器，汽轮机的排汽被空气 冷却后形成的凝结水由汇集管道进入凝结水总 管，流入凝结水箱，最后由凝结水泵打出供给 锅炉。 环境中的冷空气被轴流风机加压后横向吹向空 冷散热器，吸收了热量的冷空气变成热空气后 经空冷散热器散发到环境中。其中，由于真空 系统不严密处漏入的空气和汽轮机排汽中的不 凝气体被抽真空设备由空冷散热器的逆流管束 的顶部抽出。
ACC系统的组成和设备结构（六）
2．在国外的惯例中，空冷系统还应包括以 下设备：抽气器；凝结水泵；水的精处理 *斜顶鼓风式的空冷凝结器．
其中需特别关注的是：排汽管道，空冷凝汽器管束，凝结 水箱和风机。
ACC系统的组成和设备结构（七）
1）凝结水箱：它除具有储水作用，还含有除 氧，预热以减少凝结水过冷度等作用。
（4）测量装置能测量风速和风向，都被主控制室显示和记录，与控制逻辑没有 关联。
（5）凝结水温度在冷凝器每侧的集箱处被测量。这些信号用于显示过程逻辑联 锁和临界工况警告。第2点温度在公共冷凝箱上测量，这个集箱位于排管 道凝结水收集装置的上游。在控制系统中仅用于显示。
（6）抽气温度在每个冷凝器的单侧被测量，温度测量在抽气管道和逆流管束连 接处的下游被测量。在每排的抽真空收集管道处被测量，所有输出都送如 控制系统，都用于主动控制。
空冷岛运行中的典型问题（四）
空冷岛的热风再循环 产生的原因：
（1）空冷器装置距离某些高温设备太近， 吸进了高温气流。 。 （2）空冷器排出的热风，其中一部分又被 风机抽吸回空冷散热器，称之为热风再循 环。也有人称热风回流。
空冷岛运行中的典型问题（五）
防止热风再循环跳机的措施： 1）快速减负荷。 2）注意监视风向和风速的变化 3）背压设置尽量让风机保持调整裕量。
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Design Guidelines 设计指南
应用工程培训
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Design Guidelines 设计指南
应用工程培训
中冷器与散热器不能互相遮挡芯部
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
橡胶弯头 管路不固定
Intake Systems 进气系统
Common Problems 常见问题
应用工程培训
好的系统 不锈钢管 高质量硅胶管 T-bolt卡箍
差的系统 普通镀锌铁管 胶管作弯头 普通卡箍
2200 1400
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirement 简洁，尽量减少方向 的改变。管路应设固 定装置。不能使用橡 胶弯头来改变方向， 因为它会被高压进气 吹脱落。康明斯可提 供旋转式金属弯头用 于增压器压气机出口 的连接。
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
发动机技术参数表 (C300 20)
Charge Air Cooling
Design Parameters for ambient Max. Inlet manifold temperature: deg C Air on to charge cooler temperature: deg C Max. P between turbo out / manifold in: kpa (mm Hg) Intake pipe size normally acceptable: mm dia Level 2 55 25 Level 3 50 20 16.7(125) 80
Design Guidelines 设计指南
应用工程培训
风扇、导风罩与散热器组
风扇的大小应与散热器芯子 的大小和形状相匹配。 风扇1/2叶片进入导风罩。 风扇距芯子距离至少100毫米 风扇叶尖距导风罩的间隙应 小于风扇直径的2.5%。 应坚决避免热风回流。
Intake Systems 进气系统
Verification Procedures 评审程序
Requirements 安装要求
应用工程培训
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推荐使用螺杆上带螺旋弹簧的T-bolt型卡箍，它具 有紧固力保持的功能。
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
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空气中冷系统的清洁度对发动机的耐久性至关重要 ，设备制造厂安装的所有零部件所含杂质的总和不 得超过90mg，且杂质颗粒最大不得超过1.6mm。 如安装有温控风扇及温控百叶窗，其控制系统在感 应冷却液温度的同时，必须感应进气歧管的温度， 触发温度 66℃。 在寒冷气候下使用冷却系统保温罩时，必须在中冷 器前留有至少774 cm²开口，以使空气流通，对于 B系列发动机，该区域为387cm²即可。
Requirements 安装要求
应用工程培训
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应使用渗铝钢管或不锈钢管，并对管路内外壁进行 防腐处理。 橡胶管应能适应高温、高压的工作状态。推荐使用 Nomex纤维增强硅胶管，外带增强保护钢丝。康 明斯可提供多种标准管径的胶管供选择。
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Charge Air Cooling System 空空中冷系统
康明斯发动机应用工程培训 康明斯发动机应用工程培训
CHARGE AIR COOLING SYSTEM CHARGE AIR COOLING SYSTEM 空对空中冷系统 空对空中冷系统
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
应用工程培训
FUNCTION OF CAC SYSTEM 空空中冷系统的作用 用空气作热交换介质，通过空对空中冷器把增压以 后的高温进气冷却到足够低的温度，以满足排放法 规的要求，同时提高发动机动力性能和经济性。
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
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中冷器应能在温度和压 力循环变化的环境中保 持其强度并提供足够长 的服务期。 推荐使用铸铝气室。 设计和制造中冷器需要专门的技术和设备，必须由
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专业厂家来完成。
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
应用工程培训
Charge Air Cooling System 空空中冷系统
Requirements 安装要求
应用工程培训
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只有高质量、高耐久性的部件才可用于空空中冷系 统，因为该系统对发动机的性能和可靠性至关重要 经过中冷器至发动机进气歧管的进气温度不得超过 发动机技术参数表的限值。 空空中冷系统的阻力（压力降）不得超过发动机技 术参数表的限值。 不能因为中冷器的安装致使发动机冷却能力低于推 荐要求。
Performance Data
RPM Air To Turbo m3 / min 21.3 11.6 Air From Turbo Flow Kg / min 24.9 13.6 Pressure kpa 195 130 Heat Rejection Coolant kw 105.0 66.0 Air kw 63.0 26.0
应用工程培训
设计评审 产品检查 产品测试 发动机运行在最大功率点附近 冷却性能：进气歧管温度与环境温度的差值。 测试时环境温度应在32－43℃，不得低于21℃ 系统阻力
Intake Systems 进气系统
Common Problems 常见问题
应用工程培训
中冷器性能不合格
阻力大 冷却能力不足
普通铁管－易腐蚀 普通卡箍－紧固力小 胶管质量低，易爆裂 管路布置不合理