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標(biāo)題: 空氣分離基礎(chǔ)知識專題講座一 [打印本頁]
作者: 聶德平 時間: 2010-11-14 11:06
標(biāo)題: 空氣分離基礎(chǔ)知識專題講座一
本帖最后由 sholive 于 2010-12-1 17:55 編輯
" B- ]0 U' M: i/ ]6 p4 V* l6 @/ t# k& \4 h) O) f" H. G* q
傳熱原理及設(shè)備 在日常生活和生產(chǎn)實踐中,，會遇到大量傳熱的現(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、空壓機冷卻器,、氮水預(yù)冷器等,。而且這些換熱器是實現(xiàn)空氣液化分離及維持空分設(shè)備正常運轉(zhuǎn)所必不可少的主要設(shè)備。因此我們也有必要對它有所了解,。
1.7.1
; x& v) _6 R. N4 o7 L9 M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動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)值上等于單位時間內(nèi),，面積為1m2、壁厚為1m,、兩側(cè)壁溫差為1K時所傳遞的熱量,。
為了比較導(dǎo)熱量的大小，在單位時間內(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弱及為有用。為了增強導(dǎo)熱,，就應(yīng)使熱阻減小，這時可選用簿壁和導(dǎo)熱率較大的材料,。相反要求保溫的場合（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,。
: K5 V+ G; R l7 a+ o1 {
常用材料的熱導(dǎo)率表
材料名稱
0 h2 W8 d. T+ \% [' G | 熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）] 2 B) v0 @, u$ ?( X% C1 B5 i
| 材料名稱
( v5 W7 y' C- \8 p | 熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）] % Y" l8 \# S! ~# \/ J/ w0 ]% ~
|
銅 鋁 鋼 不銹鋼 木材 紅磚
. c; {( }) h/ ^3 u5 N4 ]9 H9 M | 383 204 約47 29 0.12 0.23∽0.58
- ?7 V6 B" w. M9 f( l1 E6 ^ v8 d | 礦渣棉 玻璃棉 珠光砂 碳酸鎂 水 空氣 ' y" X( x9 y% a! K. p' ^3 y
| 0.04∽0.046 0.037 0.035 0.026∽0.038 約0.58 0.023 4 d/ W0 ~. i9 Q
|
' f. K$ h# g9 H 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. 對流放熱及放熱系數(shù) 當(dāng)流體（溫度tf1）流過壁面（溫度tω1）時,，流體傳遞給壁面1的熱量的傳遞過程,，在工程上稱為對流放熱，也稱放熱,。傳熱學(xué)上把由于流體中溫度不同的部分發(fā)生相對位移時進(jìn)行熱量傳遞稱為熱對流,，熱對流只可能發(fā)生在液體和氣體中。需要指出的是,，在熱對流的同時,，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流放熱,，是熱對流和導(dǎo)熱兩種方式聯(lián)合作用的結(jié)果,。冷流體（溫度tf2）對璧面（溫度tω2）的熱量傳遞過程也相同。
如果在單位時間里,，熱流體對壁面1的對流放熱量大小,，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,、流體流動的特性等因素有關(guān)。由上面的比例關(guān)系寫出對流放熱的計算公式為：
Φ=α1F（tf1-tω1）=（tf1-tω1）/
（W） （1-23） 式中比例系數(shù)α1叫對流放熱系數(shù),，即
α1=
〈W/（m2.K）〉 （1-24） 放熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位時間里,，流體與壁面溫差為1K，壁面積為1m2時所交換的熱流量,。
放熱系數(shù)大小,，表示了放熱過程的強弱。影響放熱過程的因素比較復(fù)雜,，它與流體的物性,、流動狀態(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)實驗確定的,。
5 R# w7 d! E/ C0 ]( |
如果按單位面積來計算，對流放熱為：
q=
=α1（tf1-tω1） （W/m2）
; o1 i. O& I: x5 i7 J' Aq=
（W/m2） （1-25） 由式（1-25）可得到相應(yīng)于單位面積的對流放熱的熱阻為1/α1,。由式（1-24）可得到相應(yīng)的總面積的對流放熱熱阻為1/（α1F）,。
常見對流放熱系數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下表：
常見放熱系數(shù)經(jīng)驗數(shù)椐表
放熱性質(zhì) ; ^0 Q3 T) F& E
| 放熱系數(shù)α[W（m2.K）]
! p+ G3 G2 w" q O ` | 放熱性質(zhì) . K$ ^, | X! v! k- L6 q# v- e
| 放熱系數(shù)α[W（m2.K）]
$ U5 x' y% d$ i- z$ p: h |
水蒸汽冷凝 氮的冷凝 氧的沸騰 水的加熱或冷卻 & b7 J/ s- z4 l2 D
| 4600∽17400 2000∽2300 1400∽2100 600∽930 $ X- H! S4 e: U/ p7 p
| 水的沸騰 油的加熱或冷卻 空氣的加熱或冷卻
! A- Q7 a8 c" k9 G8 U8 P6 P | 600∽52300 600∽1750 10∽115 , q6 d# Z: J9 y, I P( Y
|
對流放熱又可分為無相變對流放熱和有相變對流放熱,，無相變對流放熱又有受迫對流放熱和自然對流放熱之分。受迫對流放熱是由泵,、風(fēng)機,、空壓機及其它外部動力源作用下，造成流體流動的對流過程,，因而又稱強制對流放熱,。工業(yè)上使用的換熱器中流體對壁面放熱，絕大部分屬于受迫對流放熱,。自然對流放熱是由于流體冷,、熱各部分的密度不同，引起流動的對流放熱過程,。
有相變對流放熱,，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,。
比較各種類型的對流放熱,，大致可以得出以下結(jié)論：液體的對流放熱系數(shù)比氣體高；同一種流體,，強制對流放熱比一般自然對流放熱強烈,；有相變的對流放熱系數(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。對于低溫儲運設(shè)備（如液氧,、液氮貯槽），此時需要加以仔細(xì)的計算,。
根據(jù)傳遞的物理本質(zhì)不同,，熱量以導(dǎo)熱、對流放熱,、輻射三種方式進(jìn)行傳遞,。實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。現(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)）→對流放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 對流放熱→ 氧,、氮氣（管外。）（2）液空過冷器 液空（管內(nèi)）→ 對流放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 對流放熱→ 氮氣（管外）,。
（3）冷凝燕發(fā)器 （板翅式）氣氮冷凝（管內(nèi)）→有相變對流放熱/冷凝放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 有相變對流放熱/沸騰放熱→ 液氧沸騰（外管）,。
（4）污氮液化器（板翅式）空氣液化→ 有相變對流放熱/冷凝放熱→ 內(nèi)壁→ 導(dǎo)熱→ 外壁→ 有相變對流放熱/沸騰放熱→ 液氧沸騰（外管）。
1.7.2
1 j, x7 \: o% E+ s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.) {& j$ H! g7 T3 V5 v' Y! w8 Z
K）],。
傳熱系數(shù)K，在數(shù)值上等于冷熱體溫差為1K,，在單位時間內(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弱。
應(yīng)用傳熱方程可以解決下列三個方面問題：
（1）計換熱器,。根據(jù)給定的Φ,，Δtm，K可以計算出傳熱面積F,。
（2）核算換熱器,。核算現(xiàn)有換熱器能否滿足換熱要求。
（3）測定傳熱系數(shù),。通過實踐和對運轉(zhuǎn)設(shè)備傳熱系數(shù)K的測定,，為設(shè)計提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
1. 傳熱系數(shù)K
（1）平壁傳熱系數(shù)K
( ~3 j4 J1 J1 z平壁傳熱過程,，可看作由三個串聯(lián)的熱傳遞環(huán)節(jié)組成,，即對流放熱-導(dǎo)熱-對應(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）
對金屬壁來說,，導(dǎo)熱熱阻與對流熱阻相比很小,，可忽略不計，上式可簡化為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。
* t3 @5 }3 {7 i2 `" W圓管壁傳熱同平壁傳熱相似,，它由三個串聯(lián)熱量傳遞環(huán)節(jié)組成,。
圖1-29圓管壁傳熱示圖
管內(nèi)流體對管壁的對流放熱熱流量為
Φ1=α1πd1L（tf1-tω1）=
管壁對管壁的導(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)熱計算式
Φ2=
（tω1-tω2）=
管壁2對管外流體的對流放熱熱流量為
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,，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）計算,，誤差小于4℅，這在工程上是允許的,。此時應(yīng)根據(jù) 內(nèi)外徑算術(shù)平均直徑dm=
（d1+d2）計算面積,。同時，也可忽略圓管壁導(dǎo)熱熱阻,，式（1-32）和式（1-31）可簡化為 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,，d1≈d2則式（1-33）和式（1-34）可簡化為
K=
[W/（m2.K）] （1-35） 此時傳熱系數(shù)與平壁傳熱時傳熱系數(shù)完全一樣。
（3）傳熱系數(shù)K值的經(jīng)驗效據(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)計計算換熱器的關(guān)鍵,。通常是根據(jù)理論計算，再參考經(jīng)驗數(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)計時參考,。
換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)
型式 . o/ p$ f# `8 ?8 {* l
| 熱流體 ' T* o0 F9 r0 X, R7 H* _+ P9 ]
| 冷流體
2 H; ?2 i. d4 w- z5 H4 G) r | K[W（m2.℃）] 1 J2 E& @, ]/ f( d
|
蓄冷器 & t: _7 b9 ~0 j% }, g( k0 M
| 卵石
) F& }9 G4 `3 Z6 X1 y% y1 R | 空氣 2 M) U' }: T, S" i* v% T
| 氧,、氮
1 ^' n x+ W# ?+ a( p' v | 10
4 X8 J# R s& I+ p$ F/ G |
鋁帶
% t& y& Z# n' D. E. N# a. A4 R1 \ | 空氣
: D! k9 {9 N! p5 L: U/ T | 氧、氮 ) f5 L. J4 Z( c0 W4 w7 W8 n
| 30
7 y. ]. Z- C7 P, @1 i |
盤管式
# o3 k. ^' r) K: I. H | 蓄冷器內(nèi)
% }5 a' C/ x0 @+ a5 m* \( e | 空氣 " u f5 V$ L+ x
| 氧,、氮
1 u% }! A! d1 C8 _ | 30 8 |& j& y4 X% R( A3 T
|
熱交換器
. B2 Y3 O: A9 ~4 g; ? | 空氣 : j5 T2 q1 E" b4 s- n4 S9 g& O- n5 f
| 氧,、氮
) f+ O% J, z2 u0 s Y | 100-160 " Z$ W! c- a+ b8 e
|
輔助冷凝器
0 H7 }( T2 c" R1 N$ n' p" c; P | 氣氮冷凝 " R" s- B4 }5 v/ d8 q. [8 H- P7 c" ~8 ~
| 液氧蒸發(fā)
! y) \' a% k, ~6 }0 l | 350 0 ~" f' P9 }* L+ I+ B3 z1 h8 u, [- }
|
列 管
1 C5 q; F! [, M式
* t5 V9 }/ t' Z1 V# Z | 氣 g' r4 F& \% V7 v
| 氣 , s; D* D1 d0 G! Q% m. P
| 35-80 7 K4 q2 I C: Z
|
氣 ! s2 S6 P3 i8 s5 W! `8 n" r2 {6 p
| 液 8 e0 I; t/ W4 Z$ W5 m5 `
| 60-300 5 u8 [; a f. Y; @( E
|
冷凝蒸發(fā)器 * X* n) b$ z! k5 }$ M( r( z( G
| 長管式
9 i+ Y/ ?! G: s' A- h | 氣氮（管內(nèi)） " z8 l3 Y( O0 o0 a8 A$ }
| 液氧（管內(nèi)）
% l/ W# q$ Z( K7 h+ ^$ N | 約650
7 w4 e1 _8 E. {' v S |
短管式 3 @2 Y5 U# S1 T# K4 @( R1 {
| 氣氮（管內(nèi)）
# i6 v* p, H+ `& W$ r | 液氧（管內(nèi)）
6 h! I; }: n& w7 Z" R' |1 e+ r7 B& b$ e | 約500 + ]8 Z! b% M9 @' y& W
|
板翅式
; d6 B6 e) J* H o& G6 V | 氣氮
4 z, i: j- j* C* d7 T" v( L | 液氧 3 D0 r3 c7 g" S# z$ \+ l
| 約650
. a/ g* R+ w9 f' C |
板翅式 . Z; `" q" Q) D+ |5 E+ y/ c& _' e
| 切換換熱器
, m+ b+ h( k" ]; i! w4 C9 _! _" S8 j | 空氣 * U3 [4 [2 c" ^1 o' s
| 氧、氮,、污氮,、環(huán)流
2 x/ ^% [, }5 O9 H | 60-80
+ V9 d s1 _4 ~* l |
過冷器
: V5 z/ t9 i% L9 ]% T) X1 s | 液空
% ?, Q. |. s: e9 _ | 氮
" V: t; r0 |; J6 E& |5 B | 110
* J! w: M" Q% E8 E |
液氮
$ c% k% i4 e% Y( w | 氮
' M1 E7 a$ y' i | 80 ) v5 S7 M2 n& u6 Q9 {
|
液氧
' ~" _2 U) m# F" ?, h0 I/ J | 氧
, h9 ^. V; h$ S% b. W | 60
9 y3 X# r' E, |8 {3 y; t9 I |
液化器
y- t% |" m/ o# E& U5 h" j+ w | 液空 2 Y. H0 I8 \- j
| 氮.氧
: _: b% S9 ~# ~) }4 c3 F9 i | 約100
3 S% [$ D/ A7 c" B* B |
由表可見，相變時的傳熱系數(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)，這在選用時應(yīng)予注意。
作者: xtjvkdga 時間: 2010-12-1 14:35
相變時的傳熱系數(shù)比沒有相變要大,，液相間傳熱系數(shù)比氣相間要大好強大的
作者: 聶德平 時間: 2010-12-1 17:57
是啊，相變的傳熱系數(shù)和無相變相比不是一個級別的$ }( F% n5 d, d B7 r; P
所以可以根據(jù)實際情況決定使用何種傳熱
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