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383204约47290.120.23∽0.58矿渣棉玻璃棉珠光砂碳酸镁水空气0.04∽0.0460.0370.0350.026∽0.038约0.580.023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∽174002000∽23001400∽2100600∽930水的沸腾油的加热或冷却空气的加热或冷却600∽52300600∽175010∽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