空氣分離基礎知識專題講座一

聶德平

" Q; p/ a) B- s4 ?5 [  C! l! f% _
傳熱原理及設備

    在日常生活和生產實踐中，會遇到大量傳熱的現象。人們把生活和生產中這種傳熱現象總結后得出結論：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。空分設備中主要有：切換板翅式換熱器、主換熱器、冷凝蒸發器、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空氣液化分離及維持空分設備正常運轉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。在單位時間內從tω1的高溫壁面傳遞到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：

Φ=F（tω1-tω2）=F（tω1-tω2）/（W） （1-21）

式（1-21）中比例系數λ稱為熱導率，單位為W/（m.K）。在數值上等于單位時間內，面積為1m2、壁厚為1m、兩側壁溫差為1K時所傳遞的熱量。

為了比較導熱量的大小，在單位時間內，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==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。溫差Δt愈大，傳導熱量也愈大，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。

5 K- Q, c& J5 b) \. S& D+ h: S2 _- S; l

常用材料的熱導率表

材料名稱 9 X+ @1 V2 S6 {8 D, ?- D! j	熱導率λ [W/（m.K）]	材料名稱	熱導率λ [W/（m.K）] 0 F* I) t3 e& i( b: p, n
銅 鋁 鋼 不銹鋼 木材 紅磚 9 o4 S/ M: C8 \1 u	383 204 約47 29 0.12 0.23∽0.58	礦渣棉 玻璃棉 珠光砂 碳酸鎂 水 空氣	0.04∽0.046 0.037 0.035 0.026∽0.038 約0.58 0.023 ; W  |5 {3 m: H: {$ `+ N

9 @: I6 z( P$ H

    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 當流體（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。傳熱學上把由于流體中溫度不同的部分發生相對位移時進行熱量傳遞稱為熱對流，熱對流只可能發生在液體和氣體中。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合作用的結果。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。由上面的比例關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α1叫對流放熱系數，即

α1=〈W/（m2.K）〉      （1-24）

放熱系數在數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、換熱面積和傳熱溫度有關。放熱系數通常都是根據實驗確定的。

% c; d) {; w& M4 ]& F2 N

如果按單位面積來計算，對流放熱為：

q==α1（tf1-tω1） （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/α1。由式（1-24）可得到相應的總面積的對流放熱熱阻為1/（α1F）。

常見對流放熱系數經驗數據如下表：

常見放熱系數經驗數椐表

放熱性質 + M* ^; b  p" G8 z8 }3 g- ?	放熱系數α[W（m2.K）] ) d$ E3 M/ @( c6 K! r	放熱性質	放熱系數α[W（m2.K）] - Z& u5 d& ~) K- V" N1 V) o4 f: i
水蒸汽冷凝 氮的冷凝 氧的沸騰 水的加熱或冷卻	4600∽17400 2000∽2300 1400∽2100 600∽930 0 p( y7 F7 B8 L4 d5 v# \. Q	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 ( I9 D: q! h! |0 j! B

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論：液體的對流放熱系數比氣體高；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比無相變的大。

3. 熱輻射 一物體的熱能先轉化為輻射能，以電磁形式傳播給另一物體；另一物體吸收了部分輻射能，并轉化為熱能。電磁波的傳播不需要中間介質，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。

空分設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。

根據傳遞的物理本質不同，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。現以空分設備中換熱器為例來說明。

（1）主換熱器 加工空氣（管內）→對流放熱→ 內壁→ 導熱→ 外壁→ 對流放熱→ 氧、氮氣（管外。）

（2）液空過冷器 液空（管內）→ 對流放熱→ 內壁→ 導熱→ 外壁→ 對流放熱→ 氮氣（管外）。

（3）冷凝燕發器 （板翅式）氣氮冷凝（管內）→有相變對流放熱/冷凝放熱→ 內壁→ 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

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[W/（m2.
; q* y1 j) h+ @+ p% y0 Z/ NK）]。

傳熱系數K，在數值上等于冷熱體溫差為1K，在單位時間內通過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。核算現有換熱器能否滿足換熱要求。

（3）測定傳熱系數。通過實踐和對運轉設備傳熱系數K的測定，為設計提供經驗數據。

1. 傳熱系數K

（1）平壁傳熱系數K
平壁傳熱過程，可看作由三個串聯的熱傳遞環節組成，即對流放熱-導熱-對應的熱流密度q分別為：

q1=α1（tf1-tω1=）=

q2=（tω1-tω2）=

q3=α2（tω2-tf2）=

在穩定傳熱情況下，三個換熱環節熱流量相等、即q1=q2=q3=q，于是

q==（W/m2）   （1-28）

根據式（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K

圖1-29為圓管壁傳熱示圖。圓管壁的穩定傳熱與平壁傳熱有所不同，是由于圓管內、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進行分析。

5 k4 F1 r% ?; [- y2 P, S圓管壁傳熱同平壁傳熱相似，它由三個串聯熱量傳遞環節組成。

圖1-29圓管壁傳熱示圖

管內流體對管壁的對流放熱熱流量為

Φ1=α1πd1L（tf1-tω1）=

管壁對管壁的導熱熱流量由于圓筒內、外徑的不同，傳熱面積的變化，所以不能采用平壁導熱公式，應用數學積分推出圓管壁導熱計算式

Φ2=（tω1-tω2）=

管壁2對管外流體的對流放熱熱流量為

Φ3=α2πd2L（tω2-tf2）=

在穩定傳熱中，φ1=φ2=φ3=φ

即

φ==（w）（1-30）

當以圓管內表面積或外表面積為依據時，則上述公式與傳熱方程相比較，可分別得到傳熱系數

K1=  [W/（m2.K）]    （1-31）

K2=   [W/（m2.K）]   （1-32）

當d2/d1≤2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 內外徑算術平均直徑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，d1≈d2則式（1-33）和式（1-34）可簡化為

K=  [W/（m2.K）]  （1-35）

   此時傳熱系數與平壁傳熱時傳熱系數完全一樣。

（3）傳熱系數K值的經驗效據 影響傳熱系數的因素非常多，正確的確定傳熱系數是設計計算換熱器的關鍵。通常是根據理論計算，再參考經驗數據進行分析比較，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K值大致范圍，供設計時參考。

換熱器傳熱系數經驗數據

型式 1 e/ u+ r2 J' B- [		熱流體 : O5 }) \$ p6 Q) Y; k8 G	冷流體 ' {" g! S/ F1 z' s$ h* X5 D	K[W（m2.℃）]
蓄冷器 + k9 x5 o% C3 E* n- ]' l( l- k! H	卵石	空氣	氧、氮	10 7 o; f7 e8 X. w: r5 b* j# u
	鋁帶	空氣	氧、氮	30
盤管式	蓄冷器內 4 s5 O: n/ V( g" l! ?	空氣	氧、氮 " T0 a) _5 _, w% S	30 " Q1 O& ~& K5 D. V' [
	熱交換器 / e; }: k. X" d. }8 t- d	空氣	氧、氮	100-160 9 ?% V# n' g& o$ A) S
	輔助冷凝器	氣氮冷凝	液氧蒸發	350 $ [) d5 x9 r3 _1 a4 s' z
列 管 0 q( {9 f4 \: d- n$ p# i式 4 ]% n; M8 T4 a6 D1 H		氣 & n9 w, [& N) e7 I8 H	氣	35-80 $ e" R0 F! h+ h  u
		氣 & w6 ~0 a$ o# I	液	60-300 1 M2 B( r8 \, O3 ]8 a0 q
冷凝蒸發器	長管式 + l5 t! v; t7 l( p  Z1 X1 Y	氣氮（管內） ) I0 H5 D5 {6 m	液氧（管內）	約650
	短管式 4 c& C6 W6 s! P$ S! v0 W" r	氣氮（管內） . f8 `, F3 c& f* L8 N- C& r	液氧（管內） 4 I% W  ]( _6 Y/ J) l8 a$ A+ S) j	約500   a6 r' Y0 ~- h9 S. G
	板翅式 " L' d3 E6 ~5 g/ R# q4 F	氣氮	液氧 # Y5 @5 A6 k+ {2 ]: \$ `+ k1 X	約650
板翅式	切換換熱器	空氣	氧、氮、污氮、環流	60-80
	過冷器 # X4 y2 `0 e) e+ {	液空	氮	110
		液氮 2 K( g6 a% e& r( N( T' X6 O	氮 . i6 A& x  y( y9 \	80
		液氧	氧 : t) q6 @8 W& |	60 % f$ u+ h+ Y, |3 Q  X
	液化器	液空	氮.氧 " S) F+ V3 m- K. U5 z5 _	約100

    由表可見，相變時的傳熱系數比沒有相變要大，液相間傳熱系數比氣相間要大。傳熱系數還與結構型式有關，這在選用時應予注意。

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相變時的傳熱系數比沒有相變要大，液相間傳熱系數比氣相間要大好強大的

聶德平

是啊，相變的傳熱系數和無相變相比不是一個級別的
所以可以根據實際情況決定使用何種傳熱