空氣分離基礎(chǔ)知識(shí)專題講座一

聶德平

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傳熱原理及設(shè)備

    在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，會(huì)遇到大量傳熱的現(xiàn)象。人們把生活和生產(chǎn)中這種傳熱現(xiàn)象總結(jié)后得出結(jié)論：凡是有溫度差別的地方就一定有熱量的傳遞，熱量總是自動(dòng)地由高溫物體傳向低溫物體。工業(yè)上凡是將熱量由熱流體傳遞給冷流體的換熱設(shè)備，都稱為熱交換器，簡(jiǎn)稱換熱器,。空分設(shè)備中主要有：切換板翅式換熱器,、主換熱器,、冷凝蒸發(fā)器、過冷器,、液化器,、加熱器、空壓機(jī)冷卻器,、氮水預(yù)冷器等,。而且這些換熱器是實(shí)現(xiàn)空氣液化分離及維持空分設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必不可少的主要設(shè)備。因此我們也有必要對(duì)它有所了解,。

1.7.1
熱傳遞的三種基本方式

1. 熱傳導(dǎo)和熱導(dǎo)率 物體內(nèi)部分子和原子微觀運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞過程稱為熱傳導(dǎo),，又稱導(dǎo)熱。在單位時(shí)間內(nèi)從tω1的高溫壁面?zhèn)鬟f到tω2的低溫壁面的熱流量φ（W）的大小,，和壁的面積F（m2）與兩壁溫差（tω1-tω2）（℃）成正比,，與壁的厚度δ（m）成反比。此外,，還與壁的材料性質(zhì)等因素有關(guān),。因此由上面的比例關(guān)系，可以寫出平壁的導(dǎo)熱計(jì)算式為：

Φ=F（tω1-tω2）=F（tω1-tω2）/（W） （1-21）

式（1-21）中比例系數(shù)λ稱為熱導(dǎo)率,，單位為W/（m.K）,。在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi),，面積為1m2,、壁厚為1m、兩側(cè)壁溫差為1K時(shí)所傳遞的熱量,。

為了比較導(dǎo)熱量的大小,，在單位時(shí)間內(nèi)，通過每平方米表面積所傳導(dǎo)的熱流量稱為熱流密度q。平壁導(dǎo)熱的熱流量計(jì)算式為：

q==λ（W/m2） （1-22）

從式（1-22）可以看出,，有溫差Δt存在才有熱量傳導(dǎo),。溫差Δt愈大，傳導(dǎo)熱量也愈大,，因而溫差也稱溫壓,。δ/λ愈大，熱流密度就愈小,，它表示了阻礙熱傳導(dǎo)阻力的大小,，稱為平壁單位面積的導(dǎo)熱熱阻。

用熱阻的概念來分析判斷傳熱過程的強(qiáng)弱及為有用,。為了增強(qiáng)導(dǎo)熱,，就應(yīng)使熱阻減小，這時(shí)可選用簿壁和導(dǎo)熱率較大的材料,。相反要求保溫的場(chǎng)合（常稱為熱絕緣）,，為了削弱導(dǎo)熱，就要增大熱阻,，選用厚壁和導(dǎo)熱率小的材料,。

一般說來，熱導(dǎo)率的數(shù)值以金屬最大,，液體之次,，氣體最小。一些常用材料的熱導(dǎo)率見表,。

2 W( q8 W3 n% }4 a

常用材料的熱導(dǎo)率表

材料名稱 + `; P1 X$ u. A, J	熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）]	材料名稱	熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）] . g# R+ x6 N  N7 ^
銅 鋁 鋼 不銹鋼 木材 紅磚	383 204 約47 29 0.12 0.23∽0.58	礦渣棉 玻璃棉 珠光砂 碳酸鎂 水 空氣 / G- N2 w* b+ J) o4 d" w) u	0.04∽0.046 0.037 0.035 0.026∽0.038 約0.58 0.023 9 c4 c. Z8 W; Y

    熱導(dǎo)率較小的固體材料有良好的絕熱效果,，習(xí)慣上把熱導(dǎo)率在常溫下小于0.23W/（m.K）的材料稱為絕熱材料。在空分設(shè)備的冷箱中,，常用的絕熱材料為珠光砂（膨脹珍珠巖）,、礦渣棉、碳酸鎂等,。絕熱材料受潮后,，熱導(dǎo)率大大增加，因此絕熱材料的防潮十分重要,。

2. 對(duì)流放熱及放熱系數(shù) 當(dāng)流體（溫度tf1）流過壁面（溫度tω1）時(shí),，流體傳遞給壁面1的熱量的傳遞過程，在工程上稱為對(duì)流放熱,，也稱放熱,。傳熱學(xué)上把由于流體中溫度不同的部分發(fā)生相對(duì)位移時(shí)進(jìn)行熱量傳遞稱為熱對(duì)流，熱對(duì)流只可能發(fā)生在液體和氣體中,。需要指出的是,，在熱對(duì)流的同時(shí),，流體各部分之間往往還存在著導(dǎo)熱，因此工程上所謂的對(duì)流放熱,，是熱對(duì)流和導(dǎo)熱兩種方式聯(lián)合作用的結(jié)果,。冷流體（溫度tf2）對(duì)璧面（溫度tω2）的熱量傳遞過程也相同。

如果在單位時(shí)間里,，熱流體對(duì)壁面1的對(duì)流放熱量大小,，和傳熱壁面表面積F大小，以及熱流體與壁面的溫差（tf1-tω1）成正比,，此外還和流體物性,、流體流動(dòng)的特性等因素有關(guān)。由上面的比例關(guān)系寫出對(duì)流放熱的計(jì)算公式為：

Φ=α1F（tf1-tω1）=（tf1-tω1）/（W）    （1-23）

式中比例系數(shù)α1叫對(duì)流放熱系數(shù),，即

α1=〈W/（m2.K）〉      （1-24）

放熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位時(shí)間里,，流體與壁面溫差為1K，壁面積為1m2時(shí)所交換的熱流量,。

放熱系數(shù)大小,，表示了放熱過程的強(qiáng)弱。影響放熱過程的因素比較復(fù)雜,，它與流體的物性,、流動(dòng)狀態(tài)、換熱面積和傳熱溫度有關(guān),。放熱系數(shù)通常都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的,。

. W  u3 U0 j! U' z: _; |5 U9 @% V

如果按單位面積來計(jì)算，對(duì)流放熱為：

q==α1（tf1-tω1） （W/m2）
q=（W/m2）  （1-25）

由式（1-25）可得到相應(yīng)于單位面積的對(duì)流放熱的熱阻為1/α1,。由式（1-24）可得到相應(yīng)的總面積的對(duì)流放熱熱阻為1/（α1F）,。

常見對(duì)流放熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：

常見放熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)椐表

放熱性質(zhì)	放熱系數(shù)α[W（m2.K）]	放熱性質(zhì)	放熱系數(shù)α[W（m2.K）]
水蒸汽冷凝 氮的冷凝 氧的沸騰 水的加熱或冷卻 - E  t# H* Q/ u( ]	4600∽17400 2000∽2300 1400∽2100 600∽930	水的沸騰 油的加熱或冷卻 空氣的加熱或冷卻 / y3 \7 B! M- p: w	600∽52300 600∽1750 10∽115 # f. h4 g# Y* W" `- y2 V

對(duì)流放熱又可分為無相變對(duì)流放熱和有相變對(duì)流放熱，無相變對(duì)流放熱又有受迫對(duì)流放熱和自然對(duì)流放熱之分,。受迫對(duì)流放熱是由泵,、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)及其它外部動(dòng)力源作用下,，造成流體流動(dòng)的對(duì)流過程,，因而又稱強(qiáng)制對(duì)流放熱。工業(yè)上使用的換熱器中流體對(duì)壁面放熱,，絕大部分屬于受迫對(duì)流放熱,。自然對(duì)流放熱是由于流體冷、熱各部分的密度不同,，引起流動(dòng)的對(duì)流放熱過程,。

有相變對(duì)流放熱，是指液體受熱沸騰的沸騰放熱,；飽和蒸汽放出汽化潛熱后凝結(jié)成液體的冷凝放熱,。

比較各種類型的對(duì)流放熱，大致可以得出以下結(jié)論：液體的對(duì)流放熱系數(shù)比氣體高,；同一種流體,，強(qiáng)制對(duì)流放熱比一般自然對(duì)流放熱強(qiáng)烈；有相變的對(duì)流放熱系數(shù)比無相變的大,。

3. 熱輻射 一物體的熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能,，以電磁形式傳播給另一物體；另一物體吸收了部分輻射能,，并轉(zhuǎn)化為熱能,。電磁波的傳播不需要中間介質(zhì)，因而輻射傳熱是真空中唯一的熱傳遞方式,。工程上以把物體之間以熱輻射方式進(jìn)行熱量傳遞的過程,，叫做輻射換熱。

空分設(shè)備中換熱器各種流體以及壁面溫度均較低,，而且流體與壁面之間溫差很小,，輻射換熱不是一種主要方式，一般不加考慮,。對(duì)于低溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備（如液氧,、液氮貯槽），此時(shí)需要加以仔細(xì)的計(jì)算,。

根據(jù)傳遞的物理本質(zhì)不同,，熱量以導(dǎo)熱、對(duì)流放熱,、輻射三種方式進(jìn)行傳遞,。實(shí)際使用的各種換熱器的熱傳遞過程，基本上是三種方式的組合�,，F(xiàn)以空分設(shè)備中換熱器為例來說明,。

（1）主換熱器 加工空氣（管內(nèi)）→對(duì)流放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 對(duì)流放熱→ 氧、氮?dú)猓ü芡�,。�?/font>

（2）液空過冷器 液空（管內(nèi)）→ 對(duì)流放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 對(duì)流放熱→ 氮?dú)猓ü芡猓��?/font>

（3）冷凝燕發(fā)器 （板翅式）氣氮冷凝（管內(nèi)）→有相變對(duì)流放熱/冷凝放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 有相變對(duì)流放熱/沸騰放熱→ 液氧沸騰（外管）,。

（4）污氮液化器（板翅式）空氣液化→ 有相變對(duì)流放熱/冷凝放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 有相變對(duì)流放熱/沸騰放熱→ 液氧沸騰（外管）。

1.7.2
0 v) k! `4 n5 U) @# V1 a. }2 x傳熱方程

傳熱基本方程

ф=KFΔtm（W）    （1-26）

單位面積上傳遞的熱流量稱熱流密度,，表示為

q= =KΔtm（W/m2）  （1-27）

式中——熱流量（W）,；

F一傳熱面積（m2）；

Δtm一平均傳熱溫差（K）,；

K一傳熱系數(shù)[W/（m2.
6 o* q/ ?1 F* c& ^- b5 ~" aK）],。

傳熱系數(shù)K，在數(shù)值上等于冷熱體溫差為1K,，在單位時(shí)間內(nèi)通過1m2傳熱面積所傳遞的熱量,。它表示了兩種流體間傳熱的強(qiáng)弱,。

應(yīng)用傳熱方程可以解決下列三個(gè)方面問題：

（1）計(jì)換熱器。根據(jù)給定的Φ,，Δtm,，K可以計(jì)算出傳熱面積F。

（2）核算換熱器,。核算現(xiàn)有換熱器能否滿足換熱要求,。

（3）測(cè)定傳熱系數(shù)。通過實(shí)踐和對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備傳熱系數(shù)K的測(cè)定,，為設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),。

1. 傳熱系數(shù)K

（1）平壁傳熱系數(shù)K
平壁傳熱過程，可看作由三個(gè)串聯(lián)的熱傳遞環(huán)節(jié)組成,，即對(duì)流放熱-導(dǎo)熱-對(duì)應(yīng)的熱流密度q分別為：

q1=α1（tf1-tω1=）=

q2=（tω1-tω2）=

q3=α2（tω2-tf2）=

在穩(wěn)定傳熱情況下,，三個(gè)換熱環(huán)節(jié)熱流量相等、即q1=q2=q3=q,，于是

q==（W/m2）   （1-28）

根據(jù)式（1-27）和式（1-28）的相等關(guān)系,，得到傳熱關(guān)系K為

K=[W/（m2.K）]    （1-29）

平壁傳熱的總熱阻為  

（m2.K/W）

對(duì)金屬壁來說，導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻相比很小,，可忽略不計(jì),，上式可簡(jiǎn)化為

K=[W/（m2.K）]

（2）圓管壁傳熱系數(shù)K

圖1-29為圓管壁傳熱示圖。圓管壁的穩(wěn)定傳熱與平壁傳熱有所不同,，是由于圓管內(nèi),、外徑不同，傳熱面積有變化,，所以熱流密度在傳熱過程中是變化的,，因此引用熱流量Φ進(jìn)行分析。

圓管壁傳熱同平壁傳熱相似,，它由三個(gè)串聯(lián)熱量傳遞環(huán)節(jié)組成,。

圖1-29圓管壁傳熱示圖

管內(nèi)流體對(duì)管壁的對(duì)流放熱熱流量為

Φ1=α1πd1L（tf1-tω1）=

管壁對(duì)管壁的導(dǎo)熱熱流量由于圓筒內(nèi)、外徑的不同,，傳熱面積的變化,，所以不能采用平壁導(dǎo)熱公式，應(yīng)用數(shù)學(xué)積分推出圓管壁導(dǎo)熱計(jì)算式

Φ2=（tω1-tω2）=

管壁2對(duì)管外流體的對(duì)流放熱熱流量為

Φ3=α2πd2L（tω2-tf2）=

在穩(wěn)定傳熱中,，φ1=φ2=φ3=φ

即

φ==（w）（1-30）

當(dāng)以圓管內(nèi)表面積或外表面積為依據(jù)時(shí),，則上述公式與傳熱方程相比較，可分別得到傳熱系數(shù)

K1=  [W/（m2.K）]    （1-31）

K2=   [W/（m2.K）]   （1-32）

當(dāng)d2/d1≤2寸,，圓管壁導(dǎo)熱可按平壁導(dǎo)熱公式（1-21）計(jì)算,，誤差小于4℅，這在工程上是允許的。此時(shí)應(yīng)根據(jù) 內(nèi)外徑算術(shù)平均直徑dm=（d1+d2）計(jì)算面積,。同時(shí),，也可忽略圓管壁導(dǎo)熱熱阻，式（1-32）和式（1-31）可簡(jiǎn)化為

K1=   [W/（m2.K）]   （1-33）

K2=  [W/（m.K）]   （1-34）

   在圓管的管徑較大且管壁較簿時(shí),，d1≈d2則式（1-33）和式（1-34）可簡(jiǎn)化為

K=  [W/（m2.K）]  （1-35）

   此時(shí)傳熱系數(shù)與平壁傳熱時(shí)傳熱系數(shù)完全一樣,。

（3）傳熱系數(shù)K值的經(jīng)驗(yàn)效據(jù) 影響傳熱系數(shù)的因素非常多，正確的確定傳熱系數(shù)是設(shè)計(jì)計(jì)算換熱器的關(guān)鍵,。通常是根據(jù)理論計(jì)算,，再參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,，選取合適的K值,。

下表列出了空分設(shè)備各種換熱器傳熱系數(shù)K值大致范圍，供設(shè)計(jì)時(shí)參考,。

換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

型式		熱流體 2 B" B6 t5 b; s$ U; A5 B6 R	冷流體	K[W（m2.℃）] 4 p# S5 i3 M# |: m
蓄冷器 3 L, j* M3 j+ G6 I# ]: E	卵石 ( d4 C7 s0 ~9 H, P1 S	空氣	氧,、氮 ) z: d$ E/ o0 C+ D8 I8 X	10
	鋁帶	空氣	氧、氮	30
盤管式	蓄冷器內(nèi) * r( X0 J7 }- o! C6 G	空氣	氧,、氮	30
	熱交換器 - z: Y4 X5 {- {, q# c5 P# e	空氣	氧,、氮 9 A+ a' \6 p$ l1 @) U' P	100-160
	輔助冷凝器	氣氮冷凝	液氧蒸發(fā) 3 a, U9 G. c3 a+ q( M7 U	350 ( R( ]$ j8 O% I: @* S" O
列 管 式 ) |8 ^3 K  k2 r' |& x		氣 5 M/ N: @( @+ I' ~$ y	氣	35-80 . Y: w0 ^+ b$ {# K; k; F6 U
		氣	液	60-300
冷凝蒸發(fā)器 " L% J4 T7 }- h# U- B	長(zhǎng)管式 ; h  _$ f4 l( M- [. O	氣氮（管內(nèi)） + t  a0 `: y# X) s' [	液氧（管內(nèi)） - u$ t3 I8 ^; M; m+ M$ D	約650
	短管式 ! u' N6 @- O5 r( Y: U$ C/ Q	氣氮（管內(nèi)） 7 \0 c" @, C8 r7 R: G- E# @/ c	液氧（管內(nèi)） 9 [3 t: [  A; b# ]	約500
	板翅式	氣氮 ( S' W' F; i! f	液氧	約650   S6 R# ?' ?( @6 I' p9 g, D+ r  r
板翅式 % L- X+ _5 ~2 q4 L( E	切換換熱器	空氣	氧、氮,、污氮,、環(huán)流 % H3 @5 E5 Z. S. j9 d' }1 ]	60-80
	過冷器 * X) D, \8 M* J; D- k. I, q2 k	液空	氮 4 b9 K$ w* j  y1 r. |1 N	110
		液氮	氮 0 o9 d8 \8 x5 @. X3 b1 f	80 * z# }4 \+ `/ s( c7 P, L
		液氧	氧 0 Y. _# ]  e: L2 n3 r/ O	60
	液化器	液空 ; Z2 r. W5 v7 L6 [% t	氮.氧 + |2 W* w' m2 B; M" W4 M; S+ u	約100 ( Q* S2 v( f2 Q. E/ x: y

    由表可見，相變時(shí)的傳熱系數(shù)比沒有相變要大,，液相間傳熱系數(shù)比氣相間要大,。傳熱系數(shù)還與結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，這在選用時(shí)應(yīng)予注意,。

xtjvkdga

相變時(shí)的傳熱系數(shù)比沒有相變要大,，液相間傳熱系數(shù)比氣相間要大好強(qiáng)大的

聶德平

是啊，相變的傳熱系數(shù)和無相變相比不是一個(gè)級(jí)別的
; p2 f- o, R" b所以可以根據(jù)實(shí)際情況決定使用何種傳熱