傳熱原理及設(shè)備講解

1、第七節(jié)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

2、熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。在單位時(shí)間內(nèi)從 t 31的高溫壁面?zhèn)鬟f到ta2的低溫壁面 的熱流量?。╓的大小，和壁的面積F （m2）與兩壁溫差（ta1-t（C）成 正比，與壁的厚度6 （m）成反比。止匕外，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：2S(1-21 )=F- (t -t 32)=F (t 31-t 32)/ 一 (WSX式（1-21）中比例系數(shù)人稱為熱導(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1ml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)

3、熱的熱流量計(jì)算式為：(1-22)山,I 2、q=- = (W/m)F 8從式（1-22）可以看出，有溫差 At存在才有熱量傳導(dǎo)。溫差 At愈大，傳 導(dǎo)熱量也愈大，因而溫差也稱溫壓。6/人愈大，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(lái)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(lái)，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。常用材料的熱導(dǎo)率表材料名稱熱導(dǎo)率入W/ (m.K

4、)材料名稱熱導(dǎo)率入W/ (m.K)銅383礦渣棉0.04 s 0.046鋁204玻璃棉0.037鋼約47珠光砂0.035不銹鋼29碳酸鎂0.026 S0.038木材0.12水約 0.58紅磚0.23S0.58空氣0.023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tfl）流過壁面（溫度tai）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，

5、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t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-t col)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：1二口 iF (tfi-t 31)= (tfi-t 31)/ (W(1-23)式

6、中比例系數(shù)a 1叫對(duì)流放熱系數(shù)，即a 1= W/(m.K)(1-24)下5 -如放熱系數(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(lái)計(jì)算，對(duì)流放熱為：廣2、I；：2、一一、q= = a 1 (tt 3 1)(W/m)q= (W/m)(1-25)F1/的由式(1-25)可得到相應(yīng)于單位面積的對(duì)流放熱的熱阻為1/ a 1o由式(1-24)可得到相應(yīng)的總面積的對(duì)流放熱熱阻為1/ ( a F)。常見對(duì)

7、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)據(jù)表放熱性質(zhì)放熱系數(shù)a W(m2.K)放熱性質(zhì)放熱系數(shù)a W（m.K）水蒸汽冷凝460g 17400水的沸騰60g 52300氮的冷凝200g 2300油的加熱或60g 1750冷卻氧的沸騰140g 2100空氣的加熱10s 115水的加熱或冷60g 930或冷卻卻對(duì)流放熱又可分為無(wú)相變對(duì)流放熱和有相變對(duì)流放熱，無(wú)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

8、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(wú)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?？辗衷O(shè)備中換熱器各種流體以及壁面溫度均較低，而且流體與

9、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(lái)說明。. （1）主換熱器 加工空氣（管內(nèi)）一對(duì)流放熱一 內(nèi)壁一導(dǎo)熱一外壁一對(duì)流 放熱一氧、氮?dú)猓ü芡?。）?）液空過冷器 液空（管內(nèi)）一 對(duì)流放熱一 內(nèi)壁一導(dǎo)熱一外壁一對(duì)流放 熱一氮?dú)猓ü芡猓?。?）冷凝燕發(fā)器（板翅式）氣氮冷凝（管內(nèi)）一有相變對(duì)流放熱/冷凝放熱一內(nèi) 壁一導(dǎo)熱一外壁一有相變對(duì)流放熱/沸騰放熱一液氧沸騰

10、（外管）。（4）污氮液化器（板翅式）空氣液化一有相變對(duì)流放熱/冷凝放熱一內(nèi)壁一導(dǎo) 熱一外壁一有相變對(duì)流放熱/沸騰放熱一液氧沸騰（外管）。1.7.2 傳熱方程傳熱基本方程6=KFA tm （W（1-26）單位面積上傳遞的熱流量稱熱流密度，表示為2 2/2、/、q= Z-=KAtm （W/m）（1-27）F式中一一熱流量（W ;F一傳熱面積（m2）;A tm平均傳熱溫差(K)；K一傳熱系數(shù)W/ (m2. K ) 0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 ，

11、Atm, 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：qi= a 1(tfi-tq2=一 8(t1-t 2)=q3= a 2(t3 2-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=5 -%1+91 -噎)+(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=-JW/(m.K)I d 1(1-2

12、9)平壁傳熱的總熱阻為1-1+ + =R (m2.K/W)4 X 的對(duì)金屬壁來(lái)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W/ (mn.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 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 1= a 1 九 dL (t f1-t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

13、推出圓管壁導(dǎo)熱計(jì)算式、1】F3 2)=：2aL一 2后也 zx 、 2二 (tcol-t1Md JdJ管壁2對(duì)管外流體的對(duì)流放熱熱流量為 3=0C2Ttd2L (ta2-t f2) =j口 2，在穩(wěn)定傳熱中，小1=小2=小3=小即5 -匕1)+1 - +3之一仇)5 一 5= ii-=ii(w)的欣山2網(wǎng)讓a2d2L/孫 2咫范叼必(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)-/2、/、Ki=n-1nW/ (m. K) (1-31)處+3K2=-j-j- W/(m2.K)(1-32)勺+電*+工當(dāng)d2/di=Qfe+Qffi若冷、 熱流體進(jìn)

14、行熱交換時(shí)， 其工作溫度比周圍環(huán)境濕度高， 使一部分熱量散發(fā)到外界，稱為熱量損失（Q熱損）這時(shí)傳熱量為Q=Q=Q熱-Q熱損應(yīng)該特別注意：Q值是指通過換熱器進(jìn)行熱交換的總量。考慮周圍環(huán)境濕度的影 響，可提高熱交換器設(shè)計(jì)計(jì)算的精確性，這一點(diǎn)對(duì)空分設(shè)備低溫?fù)Q熱器尤為重要1.7.3 換熱器的種類1 .盤管式換熱器圖1-31盤管式主熱交換器（液空過冷器）圖1-31為盤管式熱交換器，用于高壓空氣和低壓氧、氮之間熱交換，以復(fù)熱氧、 氮，冷卻空氣，達(dá)到回收裝置冷量的目的。高壓空氣在盤管內(nèi)通過，低壓氧、氮 分別在兩個(gè)相鄰隔層的管間流過，這樣安排除了出于強(qiáng)度考慮外（管內(nèi)承壓能力 高，管外承壓能力低），還由于高壓流

15、體在截面較小的管內(nèi)流動(dòng)， 易于控制流速， 使之能在傳熱和阻力均較合適的數(shù)值下工作。低壓氣體在管外流通截面積較大， 流速較小，阻力損失小，可以保證在允許的阻力損失范圍內(nèi)有效參入熱交換?？諝夂脱?、氮流向按逆流布置，使得有較大的傳熱溫差。2 .列管式換熱器冷凝蒸發(fā)器（簡(jiǎn)稱主冷）是發(fā)生相變的換熱器。它借助于從上塔下流液氧的蒸發(fā)， 來(lái)冷凝由下塔上升的氮?dú)?。產(chǎn)生的氧、氮產(chǎn)品除一部分作產(chǎn)品輸出外，主要保證 分鐳塔工況的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。氣氧圖1-32主冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖冷凝蒸發(fā)器有板翅式、列管式和盤管式三種結(jié)構(gòu)形式。列管式冷凝蒸發(fā)器又可分 為兩種：一種是液氧在管間沸騰、氣氮在管內(nèi)冷凝；另一種是氣氮在管間冷凝、 液氧在

16、管內(nèi)沸騰。第一種類型的冷凝器列管長(zhǎng)度不超過 11.2m。如果列管過長(zhǎng)則管間液氧柱的靜 壓將使液氧層下部液氧沸點(diǎn)升高，引起冷凝蒸發(fā)器溫差減小，或者下塔壓力升高。 前者使傳熱惡化，后者使裝置能耗增加。因此列管都比較短，故又稱短管式冷凝 蒸發(fā)器。第二種冷凝蒸發(fā)器由于液氧在管內(nèi)沸騰，形成氣、液兩相混合物，這種氣、液混 合物的密度較小因而即使管長(zhǎng)達(dá)到 2.53.6m,液柱靜壓的影響也不大，這種冷 凝蒸發(fā)器又稱長(zhǎng)管式冷凝器。3 .板翅式換熱器板翅式換熱器是一種新型緊湊式熱交換器，我國(guó)從 70年代研制成功并應(yīng)用于大 型空分設(shè)備，現(xiàn)己普及到石油化工、制冷、動(dòng)力機(jī)械和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。在制造 技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到

17、國(guó)際水平。(1)板翅式換熱器的特點(diǎn)傳熱效率高 由于翅片對(duì)流擾動(dòng)，強(qiáng)化了傳熱。強(qiáng)制對(duì)流空氣放熱系數(shù)35350W/ (m2.K),強(qiáng)制對(duì)流放熱油系數(shù)1101700 W/(m2.K),水的沸騰放熱 系數(shù) 170034000W/(m2.K)。結(jié)構(gòu)緊湊單位體積傳熱面積比列管式大5倍以上，一般可達(dá)到 15002500r2/m3。輕巧而牢固 由于翅片和隔片都很溥，通常又采用鋁合金制造，重量輕，僅為 列管式換熱器的1/10左右。適應(yīng)性大 能適用于多種介質(zhì)之間換熱，且可作氣-氣，氣-液，液-液之間熱交 換，也可作冷凝和蒸發(fā)。經(jīng)濟(jì)性好由于緊湊、體積小、又采用鋁合金制造，大大降低了投資費(fèi)用，成 本約列管式的50%。

18、板翅式換熱器被廣泛地應(yīng)用在空分設(shè)備中。 它的設(shè)計(jì)制造水平以及采用的廣泛程 度，也成為衡量空分設(shè)備制造水平的重要標(biāo)志。當(dāng)前大型空分設(shè)備的特點(diǎn)之一， 是全部換熱器設(shè)備采用板翅式。由于采用了上述手段使設(shè)備熱容量減小，起動(dòng)時(shí)間縮短，切換周期延長(zhǎng)，切換損失減少，降低了能耗，提高了經(jīng)濟(jì)性。(2)板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu) 板翅式換熱器的板束由翅片、導(dǎo)流片、封條和隔板等部分組成。如圖1-33所示, 在相鄰二隔板之間放置翅片、導(dǎo)流片、封條組成一個(gè)通道，對(duì)其進(jìn)行不同的疊積 和適當(dāng)?shù)呐帕?，釬焊成整體就可以得到常用的逆流、 錯(cuò)流、錯(cuò)逆流板翅式換熱器 板束如圖1-34。a逆流板翅式換熱器b錯(cuò)流板翅式換熱器c 錯(cuò)逆流板翅式

19、換熱器圖1-34板束流向示意圖在板束兩端配置適當(dāng)?shù)牧黧w出入口封頭 （或集合器）組成一個(gè)完整的板翅式換熱 器。這種換熱器的隔板為一次傳熱面，而翅片為二次傳熱面。翅片是板翅式換熱器的基本元件之一， 傳熱過程主要是依靠翅片來(lái)完成的。 翅片 還起著兩隔板之間的支撐作用，所以盡管翅片和隔板的材料都很薄，且能承受較 高的壓力。翅片的厚度通常是 0.20.6，隔板的厚度一般為12。翅片常用的有平直、鋸齒、多孔三種型式，根據(jù)節(jié)距和高度的不同又有20種規(guī)格，其參數(shù)見下表。翅片選擇，需根據(jù)最高工作壓力、流體性能、允許壓降、流 量和不同換熱要求等因素來(lái)考慮。一般在放熱系數(shù)大的場(chǎng)合，選用翅片較低、較 厚為宜；放熱系數(shù)小的場(chǎng)合，選用翅片較高、較薄為宜。平直翅片的放熱系數(shù)和壓力損失較??；鋸齒翅片比平直翅片的放熱系數(shù)高 30%以上，且有利于水分和 二氧化碳的凍結(jié)和消除；多孔翅片上孔洞使熱阻邊界層不斷發(fā)生斷裂，可提高傳 熱性能，這種翅片常在流體進(jìn)口分配段有相變（沸騰和冷凝）的場(chǎng)合；波紋翅片 能增強(qiáng)流體的擾動(dòng)，且可承受較高的工作壓力，常用于乙烯深冷分離的熱交換器 中。翅片型式翅局H(mm翅厚t(mrm翅距p(m