空氣分離基礎(chǔ)知識專題講座一

聶德平

3 a" L  s# B, A
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(jī)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(yùn)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
1 r* M) q$ j& T' `4 ]& M8 l1 \* S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(qiáng)弱及為有用,。為了增強(qiáng)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,。

常用材料的熱導(dǎo)率表

材料名稱 ! `7 c: Y$ f5 M' h	熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）] 8 Q3 {8 ]& u2 c2 P. t	材料名稱	熱導(dǎo)率λ [W/（m.K）] / H9 V$ e) J. |0 _( p" _2 H8 R. ^
銅 鋁 鋼 不銹鋼 木材 紅磚	383 204 約47 29 0.12 0.23∽0.58 0 o: W) D+ k8 |; K$ q	礦渣棉 玻璃棉 珠光砂 碳酸鎂 水 空氣 / q( n! m/ F( [5 E	0.04∽0.046 0.037 0.035 0.026∽0.038 約0.58 0.023

4 L1 Y. K  R; ]

    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(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,。

如果按單位面積來計算，對流放熱為：

q==α1（tf1-tω1） （W/m2）
- g% V* T8 D8 ]q=（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)	放熱系數(shù)α[W（m2.K）] ; R" {: F9 v1 g3 z3 ^! Z9 ~	放熱性質(zhì)	放熱系數(shù)α[W（m2.K）] 6 j( ~+ H# Y! R4 x% T+ @) g& a
水蒸汽冷凝 氮的冷凝 氧的沸騰 水的加熱或冷卻 0 I4 E1 A6 j' R6 C" K8 I( M	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	600∽52300 600∽1750 10∽115 $ K& {* A+ s, H

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(jī),、空壓機(jī)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(qiáng)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(qiáng)制對流放熱比一般自然對流放熱強(qiáng)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(yùn)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�,，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
* v, S' {3 c) S9 G$ H* M' }8 \; O5 g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.
; e! i5 Y% d9 _4 eK）]。

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(qiáng)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(yùn)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
5 D8 w/ I1 N% g/ o& a4 ~+ 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,。

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		熱流體	冷流體 % t  }, |! d9 N	K[W（m2.℃）]
蓄冷器 4 R0 [8 \* T* N. n& }5 m$ }4 [	卵石   c$ Z! y1 E1 f; f+ b/ ^/ x	空氣 6 i! m6 ?3 m6 r- W. V) y	氧,、氮	10 $ c6 L( f! @( c4 P0 @. e
	鋁帶 " `2 [3 a( P5 \: A7 L# R" L0 I' s7 H7 B	空氣	氧,、氮	30 ' Z/ t4 D  y9 N5 ~5 l  g- T
盤管式 # |8 C4 e" k* R: j0 m	蓄冷器內(nèi)	空氣	氧、氮 . ?1 q  U) c! @	30
	熱交換器 0 y( T: C" c: o$ a+ e2 U) e  @	空氣	氧,、氮	100-160
	輔助冷凝器	氣氮冷凝 % u# p1 W* f) j	液氧蒸發(fā)	350 * B' O& F+ \7 A5 Y# d5 T
列 管 式		氣 , [* @/ `7 `. q- j: Y  N6 I	氣 ) K6 E( d5 a6 f* Y6 ]	35-80 ! d1 I3 ?1 g1 ^
		氣	液	60-300
冷凝蒸發(fā)器 * G4 j' ?+ j2 C3 k' z! q- Q5 m	長管式 + w; W  V5 [. o# Q) J  g5 R	氣氮（管內(nèi)）	液氧（管內(nèi)） + y0 o) Q" p3 Z' L5 Q( P, N	約650 4 O7 [- m& j7 ^5 F1 g# K- |, R0 }
	短管式 - a0 c! k" a7 @* Y4 u	氣氮（管內(nèi)） ; O6 R) N' L" H9 `9 u/ D  j	液氧（管內(nèi)） ' E$ V. U( ^4 T$ i" Z$ E& r	約500
	板翅式	氣氮 $ K2 N1 O/ J+ U0 Z- u" F5 _+ q7 y	液氧	約650 + U) i  v# {! ^
板翅式	切換換熱器 & I# m7 ~8 }, Z% P	空氣	氧,、氮、污氮、環(huán)流 ( X5 k) M4 x0 T- \. P* d1 X4 V	60-80
	過冷器	液空 $ n* m- x7 v# R1 r; a0 G	氮 $ }) k  c" a; \4 S+ i7 r7 o	110 / R9 J2 d* o! Q1 v  O; j8 V
		液氮 ) A8 N1 `* |0 M	氮 0 Q& P. [% _1 A8 z" r, Z, r5 h2 Z2 h	80
		液氧 * x9 n* s; u; b1 f* A) w' G* Z' W	氧	60
	液化器   [* `, D3 [8 l( h. k	液空	氮.氧 , \1 [, E, S- F% ^& A' N	約100

    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,。

xtjvkdga

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(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級別的
& {& l; P3 N! M: u' u0 G所以可以根據(jù)實際情況決定使用何種傳熱