本发明提供一种空气冷却系统及管径变径设计方法，系统包括蒸汽输入部、汽水输出部、冷凝风机和若干个冷却单元，若干个冷却单元并联连接于蒸汽输入部与汽水输出部之间，每个冷却单元包括蒸汽分配管、汽水收集管和多根冷凝管，冷凝管的上下两端分别与蒸汽分配管和汽水收集管连接后呈横置的U型结构，蒸汽分配管内蒸汽流动方向与汽水收集管内汽水流动方向相反。所述蒸汽分配母管管径沿管内蒸汽流动方向逐渐减小，所述汽水收集母管管径沿汽水流动方向逐渐增大。通过分级形成多个冷却单元，沿着介质流动方向并联连接，经过变径蒸汽分配管，能实现蒸汽分配母管中热负荷自适应分配，提高各个冷却单元中蒸汽流动与传热的均衡特性。