傳熱原理及設備

1、第七節(jié)傳熱原理及設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備，都稱為熱交換器，簡稱換熱器?？辗衷O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備正常運轉(zhuǎn)所必不可少的主要設備。因此我們也有必要對它有所了解。1.7.1熱傳遞的三種基本方式1. 熱傳導和熱導率 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，又稱導熱

2、。在單位時間內(nèi)從t1的高溫壁面?zhèn)鬟f到t2的低溫壁面的熱流量（W）的大小，和壁的面積F（m2）與兩壁溫差（t1-t2）（）成正比，與壁的厚度（m）成反比。此外，還與壁的材料性質(zhì)等因素有關。因此由上面的比例關系，可以寫出平壁的導熱計算式為：=F（t1-t2）=F（t1-t2）/（W） （1-21）式（1-21）中比例系數(shù)稱為熱導率，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。為了比較導熱量的大小，在單位時間內(nèi)，通過每平方米表面積所傳導的熱流量稱為熱流密度q。平壁導熱的熱流量計算式為：q=（W/m2） （1-22）從式（1-22）可以看出，

3、有溫差t存在才有熱量傳導。溫差t愈大，傳導熱量也愈大，因而溫差也稱溫壓。/愈大，熱流密度就愈小，它表示了阻礙熱傳導阻力的大小，稱為平壁單位面積的導熱熱阻。用熱阻的概念來分析判斷傳熱過程的強弱及為有用。為了增強導熱，就應使熱阻減小，這時可選用簿壁和導熱率較大的材料。相反要求保溫的場合（常稱為熱絕緣），為了削弱導熱，就要增大熱阻，選用厚壁和導熱率小的材料。一般說來，熱導率的數(shù)值以金屬最大，液體之次，氣體最小。一些常用材料的熱導率見表。 常用材料的熱導率表材料名稱熱導率W/（m.K）材料名稱熱導率W/（m.K）銅鋁鋼不銹鋼木材紅磚383204約47290.120.230.58礦渣棉玻璃棉珠

4、光砂碳酸鎂水空氣0.040.0460.0370.0350.0260.038約0.580.023 熱導率較小的固體材料有良好的絕熱效果，習慣上把熱導率在常溫下小于0.23W/（m.K）的材料稱為絕熱材料。在空分設備的冷箱中，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) 當流體（溫度tf1）流過壁面（溫度t1）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。傳熱學上把由于流體中溫度不同的部分發(fā)生相對位移時進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

5、，在熱對流的同時，流體各部分之間往往還存在著導熱，因此工程上所謂的對流放熱，是熱對流和導熱兩種方式聯(lián)合作用的結(jié)果。冷流體（溫度tf2）對璧面（溫度t2）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-t1）成正比，此外還和流體物性、流體流動的特性等因素有關。由上面的比例關系寫出對流放熱的計算公式為：=1F（tf1-t1）=（tf1-t1）/（W） （1-23）式中比例系數(shù)1叫對流放熱系數(shù)，即1=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

6、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雜，它與流體的物性、流動狀態(tài)、換熱面積和傳熱溫度有關。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=1（tf1-t1） （W/m2） q= （W/m2） （1-25）由式（1-25）可得到相應于單位面積的對流放熱的熱阻為1/1。由式（1-24）可得到相應的總面積的對流放熱熱阻為1/（1F）。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)W（m2.K）放熱性質(zhì)放熱系數(shù)W（m2.K）水蒸汽冷凝氮的冷凝氧的沸騰水的加熱或冷卻4600174002000230014002100600930水

7、的沸騰油的加熱或冷卻空氣的加熱或冷卻60052300600175010115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

8、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行熱量傳遞的過程，叫做輻射換熱?？辗衷O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。對于低溫儲運設備（如液氧、液氮貯槽），此時需要加以仔細的計算。根據(jù)傳遞的物理本質(zhì)不同，熱量以導熱、對流放熱、輻射三種方式進行傳遞。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

9、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 導熱 外壁 有相變對流放熱/沸騰放熱 液氧沸騰（外管）。1.7.2傳熱方程傳熱基本方程=KFtm（W） （1-26）單位面積上傳遞的熱流量稱熱流密度，表示為q= =Ktm（W/m2） （1-27）式中熱流量

10、（W）；F一傳熱面積（m2）；tm一平均傳熱溫差（K）；K一傳熱系數(shù)W/（m2.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，tm，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)設備傳熱系數(shù)K的測定，為設計提供經(jīng)驗數(shù)據(jù)。1. 傳熱系數(shù)K（1）平壁傳熱系數(shù)K 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-導熱-對應的熱流密度q分別為：q1=1（tf1-t1=）=q2=（t1-t2

11、）=q3=2（t2-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）的相等關系，得到傳熱關系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，因此引用熱流量進行分析。 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

12、圓管壁傳熱示圖管內(nèi)流體對管壁的對流放熱熱流量為1=1d1L（tf1-t1）=管壁對管壁的導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熱公式，應用數(shù)學積分推出圓管壁導熱計算式2=（t1-t2）=管壁2對管外流體的對流放熱熱流量為3=2d2L（t2-tf2）=在穩(wěn)定傳熱中，1=2=3=即=（w）（1-30）當以圓管內(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d2/d12寸，圓管壁導熱可按平壁導熱公式（1-21）計算，誤差小于4，這在工程上是允許的。此時應根據(jù)內(nèi)外徑算術(shù)平均

13、直徑dm=（d1+d2）計算面積。同時，也可忽略圓管壁導熱熱阻，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，d1d2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)是設計計算換熱器的關鍵。通常是根據(jù)理論計算，再參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行分析比較，選取合適的K值。下表列出了空分設備各種換熱器傳熱系數(shù)K值大致范圍，供設計時參考。換熱器傳熱系數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)型式 熱流體 冷流體 KW

14、（m2.） 蓄冷器 卵石 空氣 氧、氮 10 鋁帶 空氣 氧、氮 30 盤管式 蓄冷器內(nèi) 空氣 氧、氮 30 熱交換器 空氣 氧、氮 100-160 輔助冷凝器 氣氮冷凝 液氧蒸發(fā) 350 列 管 式 氣 氣 35-80 氣 液 60-300 冷凝蒸發(fā)器 長管式 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 約650 板翅式 切換換熱器 空氣 氧、氮、污氮、環(huán)流 60-80 過冷器 液空 氮 110 液氮 氮 80 液氧 氧 60 液化器 液空 氮.氧 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

15、系數(shù)還與結(jié)構(gòu)型式有關，這在選用時應予注意。2. 熱流量的計算（1）流體在換熱器中不發(fā)生相變（忽略冷損） 用換熱器前后流體的溫度變化來計算 流體吸收熱流量應等于熱流體放出熱流量-W1cp1（t1-t1）=W2CP2（t1-t2） （W）式中 W1W2-熱、冷流體的質(zhì)量流量（kg/g）； cp1、cp2-熱、冷流體的定壓比熱容J/（kg.k）； t1、t1-熱、冷流體進換熱器溫度（K） t2、t2-熱、冷流體出換熱器溫度（K）用換熱器前后焓值的變化來計算（圖1-30）=W1（h1-h1）=W2（h2-h2）（W）圖1-30換熱器物流示意圖 式中h1、h2-熱、冷流體進換熱器時的比焓值（J/kg）h

16、1、h2-熱、冷流體出換熱器時的比焓值（J/kg）（2）流體在換熱器過程中發(fā)生相變時（忽略冷損）Q=Wr （J）式中 W流體（蒸發(fā)或冷凝的質(zhì)量流量）（kg/s）r流體的汽化潛熱（J/kg）流體在換熱過程中冷損必須考慮時 冷、熱流體進行熱交換時，若工作溫度比周圍環(huán)境低，有小部分熱量由外界傳入換熱器，稱為冷量損失（Q冷損）。這時傳熱量為Q=Q冷=Q熱+Q冷損若冷、熱流體進行熱交換時，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）這時傳熱量為Q=Q冷=Q熱-Q熱損應該特別注意：Q值是指通過換熱器進行熱交換的總量?？紤]周圍環(huán)境濕度的影響，可提高熱交換器設計計算的精確性，這一

17、點對空分設備低溫換熱器尤為重要。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，以復熱氧、氮，冷卻空氣，達到回收裝置冷量的目的。高壓空氣在盤管內(nèi)通過，低壓氧、氮分別在兩個相鄰隔層的管間流過，這樣安排除了出于強度考慮外（管內(nèi)承壓能力高，管外承壓能力低），還由于高壓流體在截面較小的管內(nèi)流動，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

18、熱器冷凝蒸發(fā)器（簡稱主冷）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)，來冷凝由下塔上升的氮氣。產(chǎn)生的氧、氮產(chǎn)品除一部分作產(chǎn)品輸出外，主要保證分鎦塔工況的正常運轉(zhuǎn)。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、液氧在管內(nèi)沸騰。第一種類型的冷凝器列管長度不超過11.2m。如果列管過長則管間液氧柱的靜壓將使液氧層下部液氧沸點升高，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

19、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達到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，我國從70年代研制成功并應用于大型空分設備，現(xiàn)己普及到石油化工、制冷、動力機械和國防工業(yè)等領域。在制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量已達到國際水平。圖1-33板束結(jié)構(gòu)（1）板翅式換熱器的特點傳熱效率高 由于翅片對流擾動，強化了傳熱。強制對流空氣放熱系數(shù)35350W/（m2.K），強制對流放熱油系數(shù)1101700W/（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

20、式大5倍以上，一般可達到15002500m2/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，大大降低了投資費用，成本約列管式的50。板翅式換熱器被廣泛地應用在空分設備中。它的設計制造水平以及采用的廣泛程度，也成為衡量空分設備制造水平的重要標志。當前大型空分設備的特點之一，是全部換熱器設備采用板翅式。由于采用了上述手段使設備熱容量減小，起動時間縮短，切換周期延長，切換損失減少，降低了能耗，提高了經(jīng)濟性。

21、（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、導流片、封條組成一個通道，對其進行不同的疊積和適當?shù)呐帕?，釬焊成整體就可以得到常用的逆流、錯流、錯逆流板翅式換熱器板束如圖1-34。a逆流板翅式換熱器 b錯流板翅式換熱器 c錯逆流板翅式換熱器圖1-34板束流向示意圖在板束兩端配置適當?shù)牧黧w出入口封頭（或集合器）組成一個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

22、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考慮。一般在放熱系數(shù)大的場合，選用翅片較低、較厚為宜；放熱系數(shù)小的場合，選用翅片較高、較薄為宜。平直翅片的放熱系數(shù)和壓力損失較小；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)和清除；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口分配段有相變（沸騰和冷凝）的場合；波紋翅片能增強流體的擾動，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 翅高H （mm） 翅厚t （mm） 翅距p （mm） 當量直徑 De（mm） 通常截面積 fi（m2） 總傳熱面積 Fi（m2） 二次表面占 總面積之 比例（F2/F0） 用途     平直形 9.5 0.2 1.4 2.12 0.00797 15.0 0.88