空氣分離基礎(chǔ)知識(shí)專題講座一

聶德平

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,�,？辗衷O(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,。

9 h+ c9 D) @& t: O1 }" d

常用材料的熱導(dǎo)率表

材料名稱	熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）]	材料名稱 & d0 ~& n& e, r3 w	熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）] 9 T% K! M% \/ U
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 9 {- F2 I( p; `, u1 H9 L8 H	0.04∽0.046 0.037 0.035 0.026∽0.038 約0.58 0.023 & l$ H: A+ F( p0 U' D/ c

    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。

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）] ; y1 W) E+ s8 U$ y) B, U	放熱性質(zhì)	放熱系數(shù)α[W（m2.K）] ( V6 D7 N& R9 l: o
水蒸汽冷凝 氮的冷凝 氧的沸騰 水的加熱或冷卻 $ @1 u2 [! o! p. e5 Z0 x: g& v. P$ V9 F	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 & E. Q! C2 p: l( Y, m	600∽52300 600∽1750 10∽115 ; h: ~# A: E: ~3 b

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
6 d" t# H' B: h5 {! z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.
! ?" ]* k9 N* A: w: h5 x# d% gK）]。

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
. D% c$ ^. I: h0 F  [8 g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 8 x, j, [2 p8 J- e7 S, B		熱流體	冷流體   s% W: H; b" ^, w	K[W（m2.℃）] / |3 s& Z) G6 a7 `0 p" a0 _& k2 Y
蓄冷器	卵石	空氣	氧,、氮 8 R+ ~& J: ]0 S  f5 H	10 / C: I* j' X4 g" j- Y1 F
	鋁帶	空氣	氧,、氮 ) K8 C$ c3 W+ c	30
盤管式	蓄冷器內(nèi) 1 B; T' L8 ~' W& e$ b+ _	空氣	氧、氮	30
	熱交換器 % J3 l0 ?7 O! G& t/ n. ~	空氣 ' z7 R, I0 C1 H$ {, D' E, r	氧,、氮	100-160 6 D" w, L; L/ {6 R2 u+ u/ b
	輔助冷凝器 * b; p& B! d* w  F( A	氣氮冷凝 . r: u# h2 g7 P$ l, R  e: C/ N	液氧蒸發(fā)	350
列 管 式 ( G% H" z+ L& n0 u		氣	氣 0 i8 ~" g5 D, b  P5 y	35-80
		氣 + r9 W: K. E4 ?7 F" E! e	液	60-300
冷凝蒸發(fā)器	長(zhǎng)管式 1 L1 t3 ]" _- I" u	氣氮（管內(nèi)）	液氧（管內(nèi)）	約650
	短管式	氣氮（管內(nèi)）	液氧（管內(nèi)）	約500
	板翅式	氣氮	液氧 9 J8 R( W' d3 T- e/ b2 e1 O& ?# L& Y	約650 % a1 }# L/ ~6 k+ h3 K. T
板翅式 ! ^- D( B! @0 f3 t5 Y1 s& p	切換換熱器	空氣 ; c. U& ]& i( ?	氧,、氮、污氮,、環(huán)流	60-80 9 V: m; x* [+ L% O
	過冷器 4 P& q4 |3 z$ z, a$ y$ C1 \6 A: N	液空	氮 * f, [, x) i' u$ Q+ u; P0 u4 S! U	110 ( Q) z$ h% O$ T! L; M  k
		液氮 8 u3 [: p! f3 a7 n; D	氮	80
		液氧	氧 0 m+ d8 m" Y+ u0 O9 p) B	60
	液化器 " c& I/ l" b2 H	液空	氮.氧	約100

    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
所以可以根據(jù)實(shí)際情況決定使用何種傳熱