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传热原理及设备
第七节传热原理及设备
在日常生活和生产实践中，会遇到大量传热的现象。
人们把生活和生产中这种传热现象总结后得出结论：
凡是有温度差别的地方就一定有热量的传递，热量总是自动地由高温物体传向低温物体。
工业上凡是将热量由热流体传递给冷流体的换热设备，都称为热交换器，简称换热器。
空分设备中主要有：
切换板翅式换热器、主换热器、冷凝蒸发器、过冷器、液化器、加热器、空压机冷却器、氮水预冷器等。
而且这些换热器是实现空气液化分离及维持空分设备正常运转所必不可少的主要设备。
因此我们也有必要对它有所了解。
1.7.1热传递的三种基本方式
1.热传导和热导率物体内部分子和原子微观运动所引起的热量传递过程称为热传导，又称导热。
在单位时间内从tω1的高温壁面传递到tω2的低温壁面的热流量φ（W）的大小，和壁的面积F（m2）与两壁温差（tω1-tω2）（℃）成正比，与壁的厚度δ（m）成反比。
此外，还与壁的材料性质等因素有关。
因此由上面的比例关系，可以写出平壁的导热计算式为：
Φ=F
（tω1-tω2）=F（tω1-tω2）/
（W）（1-21）
式（1-21）中比例系数λ称为热导率，单位为W/（m.K）。
在数值上等于单位时间内，面积为1m2、壁厚为1m、两侧壁温差为1K时所传递的热量。
为了比较导热量的大小，在单位时间内，通过每平方米表面积所传导的热流量称为热流密度q。
平壁导热的热流量计算式为：
q=
=λ
（W/m2）（1-22）
从式（1-22）可以看出，有温差Δt存在才有热量传导。
温差Δt愈大，传导热量也愈大，因而温差也称温压。
δ/λ愈大，热流密度就愈小，它表示了阻碍热传导阻力的大小，称为平壁单位面积的导热热阻。
用热阻的概念来分析判断传热过程的强弱及为有用。
为了增强导热，就应使热阻减小，这时可选用簿壁和导热率较大的材料。
相反要求保温的场合（常称为热绝缘），为了削弱导热，就要增大热阻，选用厚壁和导热率小的材料。
一般说来，热导率的数值以金属最大，液体之次，气体最小。
一些常用材料的热导率见表。
常用材料的热导率表
材料名称
热导率λ
[W/（m.K）]
材料名称
热导率λ
[W/（m.K）]
铜
铝
钢
不锈钢
木材
红砖
383
204
约47
29
0.12
0.23∽0.58
矿渣棉
玻璃棉
珠光砂
碳酸镁
水
空气
0.04∽0.046
0.037
0.035
0.026∽0.038
约0.58
0.023
热导率较小的固体材料有良好的绝热效果，习惯上把热导率在常温下小于0.23W/（m.K）的材料称为绝热材料。
在空分设备的冷箱中，常用的绝热材料为珠光砂（膨胀珍珠岩）、矿渣棉、碳酸镁等。
绝热材料受潮后，热导率大大增加，因此绝热材料的防潮十分重要。
2.对流放热及放热系数当流体（温度tf1）流过壁面（温度tω1）时，流体传递给壁面1的热量的传递过程，在工程上称为对流放热，也称放热。
传热学上把由于流体中温度不同的部分发生相对位移时进行热量传递称为热对流，热对流只可能发生在液体和气体中。
需要指出的是，在热对流的同时，流体各部分之间往往还存在着导热，因此工程上所谓的对流放热，是热对流和导热两种方式联合作用的结果。
冷流体（温度tf2）对璧面（温度tω2）的热量传递过程也相同。
如果在单位时间里，热流体对壁面1的对流放热量大小，和传热壁面表面积F大小，以及热流体与壁面的温差（tf1-tω1）成正比，此外还和流体物性、流体流动的特性等因素有关。
由上面的比例关系写出对流放热的计算公式为：
Φ=α1F（tf1-tω1）=（tf1-tω1）/
（W）（1-23）
式中比例系数α1叫对流放热系数，即
α1=
〈W/（m2.K）〉（1-24）
放热系数在数值上等于单位时间里，流体与壁面温差为1K，壁面积为1m2时所交换的热流量。
放热系数大小，表示了放热过程的强弱。
影响放热过程的因素比较复杂，它与流体的物性、流动状态、换热面积和传热温度有关。
放热系数通常都是根据实验确定的。
如果按单位面积来计算，对流放热为：
q=
=α1（tf1-tω1）（W/m2）q=
（W/m2）（1-25）
由式（1-25）可得到相应于单位面积的对流放热的热阻为1/α1。
由式（1-24）可得到相应的总面积的对流放热热阻为1/（α1F）。
常见对流放热系数经验数据如下表：
常见放热系数经验数椐表
放热性质
放热系数α[W（m2.K）]
放热性质
放热系数α[W（m2.K）]
水蒸汽冷凝
氮的冷凝
氧的沸腾
水的加热或冷却
4600∽17400
2000∽2300
1400∽2100
600∽930
水的沸腾
油的加热或冷却
空气的加热或冷却
600∽52300
600∽1750
10∽115
对流放热又可分为无相变对流放热和有相变对流放热，无相变对流放热又有受迫对流放热和自然对流放热之分。
受迫对流放热是由泵、风机、空压机及其它外部动力源作用下，造成流体流动的对流过程，因而又称强制对流放热。
工业上使用的换热器中流体对壁面放热，绝大部分属于受迫对流放热。
自然对流放热是由于流体冷、热各部分的密度不同，引起流动的对流放热过程。
有相变对流放热，是指液体受热沸腾的沸腾放热；饱和蒸汽放出汽化潜热后凝结成液体的冷凝放热。
比较各种类型的对流放热，大致可以得出以下结论：
液体的对流放热系数比气体高；同一种流体，强制对流放热比一般自然对流放热强烈；有相变的对流放热系数比无相变的大。
3.热辐射一物体的热能先转化为辐射能，以电磁形式传播给另一物体；另一物体吸收了部分辐射能，并转化为热能。
电磁波的传播不需要中间介质，因而辐射传热是真空中唯一的热传递方式。
工程上以把物体之间以热辐射方式进行热量传递的过程，叫做辐射换热。
空分设备中换热器各种流体以及壁面温度均较低，而且流体与壁面之间温差很小，辐射换热不是一种主要方式，一般不加考虑。
对于低温储运设备（如液氧、液氮贮槽），此时需要加以仔细的计算。
根据传递的物理本质不同，热量以导热、对流放热、辐射三种方式进行传递。
实际使用的各种换热器的热传递过程，基本上是三种方式的组合。
现以空分设备中换热器为例来说明。
（1）主换热器加工空气（管内）→对流放热→内壁→导热→外壁→对流放热→氧、氮气（管外。
）
（2）液空过冷器液空（管内）→对流放热→内壁→导热→外壁→对流放热→氮气（管外）。
（3）冷凝燕发器（板翅式）气氮冷凝（管内）→有相变对流放热/冷凝放热→内壁→导热→外壁→有相变对流放热/沸腾放热→液氧沸腾（外管）。
（4）污氮液化器（板翅式）空气液化→有相变对流放热/冷凝放热→内壁→导热→外壁→有相变对流放热/沸腾放热→液氧沸腾（外管）。
1.7.2传热方程
传热基本方程
ф=KFΔtm（W）（1-26）
单位面积上传递的热流量称热流密度，表示为
q=
=KΔtm（W/m2）（1-27）
式中——热流量（W）；
F一传热面积（m2）；
Δtm一平均传热温差（K）；
K一传热系数[W/（m2.K）]。
传热系数K，在数值上等于冷热体温差为1K，在单位时间内通过1m2传热面积所传递的热量。
它表示了两种流体间传热的强弱。
应用传热方程可以解决下列三个方面问题：
（1）计换热器。
根据给定的Φ，Δtm，K可以计算出传热面积F。
（2）核算换热器。
核算现有换热器能否满足换热要求。
（3）测定传热系数。
通过实践和对运转设备传热系数K的测定，为设计提供经验数据。
1.传热系数K
（1）平壁传热系数K平壁传热过程，可看作由三个串联的热传递环节组成，即对流放热-导热-对应的热流密度q分别为：
q1=α1（tf1-tω1=）=
q2=
（tω1-tω2）=
q3=α2（tω2-tf2）=
在稳定传热情况下，三个换热环节热流量相等、即q1=q2=q3=q，于是
q=
=
（W/m2）（1-28）
根据式（1-27）和式（1-28）的相等关系，得到传热关系K为
K=
[W/（m2.K）]（1-29）
平壁传热的总热阻为
（m2.K/W）
对金属壁来说，导热热阻与对流热阻相比很小，可忽略不计，上式可简化为
K=
[W/（m2.K）]
（2）圆管壁传热系数K
图1-29为圆管壁传热示图。
圆管壁的稳定传热与平壁传热有所不同，是由于圆管内、外径不同，传热面积有变化，所以热流密度在传热过程中是变化的，因此引用热流量Φ进行分析。
圆管壁传热同平壁传热相似，它由三个串联热量传递环节组成。
图1-29圆管壁传热示图
管内流体对管壁的对流放热热流量为
Φ1=α1πd1L（tf1-tω1）=
管壁对管壁的导热热流量由于圆筒内、外径的不同，传热面积的变化，所以不能采用平壁导热公式，应用数学积分推出圆管壁导热计算式
Φ2=
（tω1-tω2）=
管壁2对管外流体的对流放热热流量为
Φ3=α2πd2L（tω2-tf2）=
在稳定传热中，φ1=φ2=φ3=φ
即
φ=
=
（w）（1-30）
当以圆管内表面积或外表面积为依据时，则上述公式与传热方程相比较，可分别得到传热系数
K1=
[W/（m2.K）]（1-31）
K2=
[W/（m2.K）]（1-32）
当d2/d1≤2寸，圆管壁导热可按平壁导热公式（1-21）计算，误差小于4℅，这在工程上是允许的。
此时应根据内外径算术平均直径dm=
（d1+d2）计算面积。
同时，也可忽略圆管壁导热热阻，式（1-32）和式（1-31）可简化为
K1=
[W/（m2.K）] （1-33）
K2=
[W/（m.K）]（1-34）
在圆管的管径较大且管壁较簿时，d1≈d2则式（1-33）和式（1-34）可简化为
K=
[W/（m2.K）]（1-35）
此时传热系数与平壁传热时传热系数完全一样。
（3）传热系数K值的经验效据影响传热系数的因素非常多，正确的确定传热系数是设计计算换热器的关键。
通常是根据理论计算，再参考经验数据进行分析比较，选取合适的K值。
下表列出了空分设备各种换热器传热系数K值大致范围，供设计时参考。
换热器传热系数经验数据
型式
热流体
冷流体
K[W（m2.℃）]
蓄冷器
卵石
空气
氧、氮
10
铝带
空气
氧、氮
30
盘管式
蓄冷器内
空气
氧、氮
30
热交换器
空气
氧、氮
100-160
辅助冷凝器
气氮冷凝
液氧蒸发
350
列管式
气
气
35-80
气
液
60-300
冷凝蒸发器
长管式
气氮（管内）
液氧（管内）
约650
短管式
气氮（管内）
液氧（管内）
约500
板翅式
气氮
液氧
约650
板翅式
切换换热器
空气
氧、氮、污氮、环流
60-80
过冷器
液空
氮
110
液氮
氮
80
液氧
氧
60
液化器
液空
氮.氧
约100
由表可见，相变时的传热系数比没有相变要大，液相间传热系数比气相间要大。
传热系数还与结构型式有关，这在选用时应予注意。
2.热流量Φ的计算
（1）流体在换热器中不发生相变（忽略冷损）
①用换热器前后流体的温度变化来计算流体吸收热流量应等于热流体放出热流量
Φ-W1cp1（t1ˋ-t1ˋˋ）=W2CP2（tˋ1-t2ˋˋ）（W）
式中W1W2-热、冷流体的质量流量（kg/g）；
cp1、cp2-热、冷流体的定压比热容[J/（kg.k）]；
tˋ1、tˋ1-热、冷流体进换热器温度（K）
t2ˋˋ、t2ˋˋ-热、冷流体出换热器温度（K）
②用换热器前后焓值的变化来计算（图1-30）
φ=W1（h1ˊ-h1ˊˊ）=W2（h2ˊˊ-h2ˊˊ）（W）
图1-30换热器物流示意图式中h1ˊ、h2ˊ--热、冷流体进换热器时的比焓值（J/kg）
h1ˊˊ、h2ˊˊ--热、冷流体出换热器时的比焓值（J/kg）
（2）流体在换热器过程中发生相变时（忽略冷损）
Q=Wr（J）
式中W—流体（蒸发或冷凝的质量流量）（kg/s）
r—流体的汽化潜热（J/kg）
流体在换热过程中冷损必须考虑时
冷、热流体进行热交换时，若工作温度比周围环境低，有小部分热量由外界传入换热器，称为冷量损失（Q冷损）。
这时传热量为
Q=Q冷=Q热+Q冷损
若冷、热流体进行热交换时，其工作温度比周围环境湿度高，使一部分热量散发到外界，称为热量损失（Q热损）这时传热量为
Q=Q冷=Q热-Q热损
应该特别注意：
Q值是指通过换热器进行热交换的总量。
考虑周围环境湿度的影响，可提高热交换器设计计算的精确性，这一点对空分设备低温换热器尤为重要。
1.7.3换热器的种类
1.盘管式换热器
图1-31盘管式主热交换器（液空过冷器）
图1-31为盘管式热交换器，用于高压空气和低压氧、氮之间热交换，以复热氧、氮，冷却空气，达到回收装置冷量的目的。
高压空气在盘管内通过，低压氧、氮分别在两个相邻隔层的管间流过，这样安排除了出于强度考虑外（管内承压能力高，管外承压能力低），还由于高压流体在截面较小的管内流动，易于控制流速，使之能在传热和阻力均较合适的数值下工作。
低压气体在管外流通截面积较大，流速较小，阻力损失小，可以保证在允许的阻力损失范围内有效参入热交换。
空气和氧、氮流向按逆流布置，使得有较大的传热温差。
2.列管式换热器
冷凝蒸发器（简称主冷）是发生相变的换热器。
它借助于从上塔下流液氧的蒸发，来冷凝由下塔上升的氮气。
产生的氧、氮产品除一部分作产品输出外，主要保证分镏塔工况的正常运转。
图1-32主冷凝器结构示意图
冷凝蒸发器有板翅式、列管式和盘管式三种结构形式。
列管式冷凝蒸发器又可分为两种：
一种是液氧在管间沸腾、气氮在管内冷凝；另一种是气氮在管间冷凝、液氧在管内沸腾。
第一种类型的冷凝器列管长度不超过1~1.2m。
如果列管过长则管间液氧柱的静压将使液氧层下部液氧沸点升高，引起冷凝蒸发器温差减小，或者下塔压力升高。
前者使传热恶化，后者使装置能耗增加。
因此列管都比较短，故又称短管式冷凝蒸发器。
第二种冷凝蒸发器由于液氧在管内沸腾，形成气、液两相混合物，这种气、液混合物的密度较小因而即使管长达到2.5~3.6m，液柱静压的影响也不大，这种冷凝蒸发器又称长管式冷凝器。
3.板翅式换热器
板翅式换热器是一种新型紧凑式热交换器，我国从70年代研制成功并应用于大型空分设备，现己普及到石油化工、制冷、动力机械和国防工业等领域。
在制造技术和产品质量已达到国际水平。
图1-33板束结构
（1）板翅式换热器的特点
①传热效率高由于翅片对流扰动，强化了传热。
强制对流空气放热系数35~350W/（m2.K），强制对流放热油系数110~1700W/（m2.K），水的沸腾放热系数1700~34000W/（m2.K）。
②结构紧凑单位体积传热面积比列管式大5倍以上，一般可达到1500~2500m2/m3。
③轻巧而牢固由于翅片和隔片都很溥，通常又采用铝合金制造，重量轻，仅为列管式换热器的1/10左右。
④适应性大能适用于多种介质之间换热，且可作气-气，气-液，液-液之间热交换，也可作冷凝和蒸发。
⑤经济性好由于紧凑、体积小、又采用铝合金制造，大大降低了投资费用，成本约列管式的50℅。
板翅式换热器被广泛地应用在空分设备中。
它的设计制造水平以及采用的广泛程度，也成为衡量空分设备制造水平的重要标志。
当前大型空分设备的特点之一，是全部换热器设备采用板翅式。
由于采用了上述手段使设备热容量减小，起动时间缩短，切换周期延长，切换损失减少，降低了能耗，提高了经济性。
（2）板翅式换热器的基本结构
板翅式换热器的板束由翅片、导流片、封条和隔板等部分组成。
如图1-33所示，在相邻二隔板之间放置翅片、导流片、封条组成一个通道，对其进行不同的叠积和适当的排列，钎焊成整体就可以得到常用的逆流、错流、错逆流板翅式换热器板束如图1-34。
a逆流板翅式换热器b错流板翅式换热器c错逆流板翅式换热器
图1-34板束流向示意图
在板束两端配置适当的流体出入口封头（或集合器）组成一个完整的板翅式换热器。
这种换热器的隔板为一次传热面，而翅片为二次传热面。
翅片是板翅式换热器的基本元件之一，传热过程主要是依靠翅片来完成的。
翅片还起着两隔板之间的支撑作用，所以尽管翅片和隔板的材料都很薄，且能承受较高的压力。
翅片的厚度通常是0.2~0.6，隔板的厚度一般为1~2。
翅片常用的有平直、锯齿、多孔三种型式，根据节距和高度的不同又有20种规格，其参数见下表。
翅片选择，需根据最高工作压力、流体性能、允许压降、流量和不同换热要求等因素来考虑。
一般在放热系数大的场合，选用翅片较低、较厚为宜；放热系数小的场合，选用翅片较高、较薄为宜。
平直翅片的放热系数和压力损失较小；锯齿翅片比平直翅片的放热系数高30℅以上，且有利于水分和二氧化碳的冻结和清除；多孔翅片上孔洞使热阻边界层不断发生断裂，可提高传热性能，这种翅片常在流体进口分配段有相变（沸腾和冷凝）的场合；波纹翅片能增强流体的扰动，且可承受较高的工作压力，常用于乙烯深冷分离的热交换器中。
翅片型式
翅高H
（mm）
翅厚t
（mm）
翅距p
（mm）
当量直径
De（mm）
通常截面积
fi（m2）
总传热面积
Fi（m2）
二次表面占
总面积之
比例（F2/F0）
用途
平直形
9.5
0.2
1.4
2.12
0.00797
15.0
0.885
气
9.5
0.2
1.7
2.58
0.00821
12.7
0.861
气
9.5
0.2
2.0
3.02
0.00837
11.1
0.838
气
6.5
0.3
2.0
2.67
0.00527
7.9
0.758
液、冷凝、蒸发
4.7
0.3
2.0
2.45
0.00374
6.1
0.722
液
锯齿形
9.5
0.2
1.4
2.12
0.00797
15.0
0.885
气
9.5
0.2
1.7
2.58
0.00821
12.7
0.861
气
6.5
0.2
2.0
2.80
0.00567
8.1
0.778
液、冷凝、蒸发
4.7
0.3
2.0
2.45
0.00374
6.1
0.722
液
多孔形
6.5
0.2
1.4
2.02
0.00540
10.26
0.833
液、冷凝、蒸发
6.5
0.2
1.7
2.42
0.00556
8.81
0.800
液、冷凝、蒸发
6.5
0.3
2.0
2.67
0.00527
7.28
0.766
液、冷凝、蒸发
4.7
0.3
2.0
2.45
0.00374
5.66
0.696
液
常用翅片特性参数表
式中：
当量直径De=
（翅片内距x=p-t，翅片内高y=H-t）。
通道截面积是指有效宽度1m为每层通道的截面积。
传热面积是指有效宽度为1m，有效长度为1m，每层通道的传热面积。
通过上述基础知识的学习和了解，对深冷空气分离及分馏塔的基本理念和从理论上理解设备、流程将起到很好的作用。
同时对提高实际操作技能也有非常大的帮助。
实际制造过程的设计、工艺保证，还要复杂很多本章不作介绍
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