傳熱原理及設(shè)備

傳熱原理及設(shè)備

1.概述

1.1熱量傳遞的條件和方向

1.2研究傳熱過(guò)程的目的與任務(wù)

1.3換熱器在空分中重要性

1.4低溫?fù)Q熱器特點(diǎn)

2.換熱器分類

2.1按工作原理分

2.2按結(jié)構(gòu)分

3.板翅式換熱器

3.1概述

3.1.1發(fā)展概況

3.1.2板翅式換熱器特具

3.1.3板翅式換熱器的應(yīng)用

3.2結(jié)構(gòu)

3.2.1基本結(jié)構(gòu)

3.2.2翅片選擇與形式

3.2.3翅片參數(shù)

3.2.4整體結(jié)構(gòu)

4.設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1熱量傳遞三種基本方式及組合

4.1.1熱傳導(dǎo)和熱導(dǎo)率

4.1.2對(duì)流放熱和放熱系數(shù)

4.1.3輻射

4.1.4多種傳熱方式組合

4.2傳熱設(shè)計(jì)

4.2.1傳熱過(guò)程分析

4.2.2傳熱方程

4.3放熱系數(shù)確定

4.3.1無(wú)相變對(duì)流放熱系數(shù)

4.3.2相變時(shí)放熱系數(shù)

4.3.3兩相流換熱器傳熱計(jì)算

4.4多股流傳熱計(jì)算

4.5阻力計(jì)算

4.6空分中常用傳熱系數(shù)

5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

5..1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.2強(qiáng)度計(jì)算

6.板翅式換熱器制造工藝

7.檢查試驗(yàn)與修補(bǔ)、存放

7.1檢查試驗(yàn)

7.2修補(bǔ)存放

8.空分設(shè)備中幾個(gè)典型換熱器介紹

9.談幾點(diǎn)工作中體會(huì)

1.概述

1.1熱量傳遞條件和方向

在工業(yè)生產(chǎn)中和日常生活上，有各種熱傳遞現(xiàn)象。如加熱或冷卻某種流體;

液體的沸騰和氣體冷凝等。人們把許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，得出了這樣的結(jié)論：凡是不同物

體之間或同一物體不同部分存在溫度差（即tl-t2>0）,就一定有熱量傳遞，而熱量傳遞總

是自動(dòng)地由高溫物體傳向低溫物體。如煤的燃燒使水沸騰；空調(diào)使房間空氣變得涼快（或暖

和）：涼水塔水的冷卻……等等，從上述現(xiàn)象，可以得出結(jié)論：

tn-tt?>0

“凡有溫度差存在，就有熱量傳遞”。

L.研究傳熱過(guò)程的目的和任務(wù)

研究傳熱過(guò)程的目的是應(yīng)用傳熱學(xué)規(guī)律，解決工程上實(shí)際問(wèn)

題。如在某種場(chǎng)合要求盡快把熱量傳遞出去，使物體冷卻下

來(lái)，也就是如何增強(qiáng)傳熱過(guò)程，如壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器，空分

設(shè)備各種換熱器等；在另一種場(chǎng)合又要求防止和減少熱量散

失，把熱量保存起來(lái)，也就是如何削弱傳熱過(guò)程，如鉆爐保

溫層，暖水瓶真空隔層等。這是熱量傳遞的兩個(gè)方面，是我

們經(jīng)常要碰到的問(wèn)題，應(yīng)用傳熱學(xué)原理去給予解決和分析。

L3換熱器在空分中重要性

空分設(shè)備是以深冷分離方法來(lái)制取氧氮及其空氣制品的成套裝置，是高能耗設(shè)備，能

耗與設(shè)備容最有關(guān)，大致為0.5?1OKW/Nm3O2左右。

換熱器作為空分設(shè)備成套裝置重要部機(jī)，根據(jù)設(shè)備大小不同,

其投資占成套設(shè)備總額的10~20%,所以換熱器傳熱性能

好壞直接影響其投資成本（換熱器價(jià)格，占地面積）和運(yùn)行

弗用（單位能耗），是成套裝置技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性重要考核

指標(biāo)。

當(dāng)前全球氣候變暖趨勢(shì)下，聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)提出減排，低

碳。環(huán)保和綠色能源是每一個(gè)國(guó)家應(yīng)盡義務(wù)，可見(jiàn)換熱器在

空分中重要性。

1.4低溫?fù)Q熱器特點(diǎn)

空分設(shè)備換熱器特點(diǎn)是深低溫，小溫差。

1）傳熱過(guò)程多數(shù)在小溫差下進(jìn)行。傳熱溫差越小，過(guò)程的不可逆損失也越小。計(jì)算表

明，主換熱器熱端溫差減小1℃,能耗減少2%左右；冷凝蒸發(fā)器溫差減小1C,能耗減少5%

左右。

2）要求流動(dòng)阻力小0流動(dòng)阻力每增加lOKPa,空壓機(jī)排壓要提高30KPa。所以，一般

選取較小流速，需要有較大的換熱面積，因此宜選用有緊湊換熱表面的換熱元件。

3）氣體溫度接近飽和線時(shí)，其物理性質(zhì)變化較大，應(yīng)采用積分平均溫差來(lái)計(jì)算傳熱溫

差，以提高計(jì)算精度。

4）低溫?fù)Q熱器所用材料要求在低溫下有良好機(jī)械性能。最常用材料為鋁合金、銅合金、

不銹鋼等。

5）低溫?fù)Q熱器應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。

6）換熱器跑冷損失直接影響低溫設(shè)備的能耗，所以應(yīng)采取有

效保冷措施。

2.換熱器分類

工業(yè)上將凡是熱量由熱流體傳遞給冷流體的設(shè)備，都稱熱交換器，簡(jiǎn)稱換熱器，

熱交換器的分類有很多種方法。如按使用目的分，可分為冷

卻器、加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器等；按結(jié)構(gòu)分，可分為管殼

式換熱器（它又分為列管式、盤管式、套管式）和板式換熱

器（它又分為板翅式、板片式、螺旋板式）；按材料分，可分

為金屬換熱器（它分為鋼、鋁、銅等）和非金屬換熱器（它

分為玻璃、陶瓷、塑料、石墨等）

2.1按工作原理分為三類

空分設(shè)備換熱器按工作原理可分為：間壁式換熱器、蓄熱式換熱器和混合式換熱器三

類：

1）間壁式換熱器冷熱流體互不接觸，兩流體通過(guò)間壁（傳熱面）進(jìn)行換

熱。此類型換熱器有主換熱器、冷凝蒸發(fā)器、壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器等。

2）蓄熱式換熱器冷熱流體在一定時(shí)間間隔內(nèi)，交替通過(guò)具有足夠熱容量的填料（卵

石、金屬絲等）進(jìn)行熱量傳遞。如石頭蓄冷器、絲網(wǎng)蓄冷器等。

3）混合式換熱器冷熱流體通過(guò)直接接觸和相互混合來(lái)進(jìn)行熱量交換，在傳熱過(guò)程中

伴有質(zhì)的交換，它傳熱速度快，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如空氣冷卻塔、水冷卻塔等。

三類換熱器其熱量傳遞如圖3-1,3-2,3-3所示

圖3-1間壁式換熱器熱量傳遞示意圖圖3-2蓄熱式換熱器熱量傳遞示意圖

圖3-3混合式換熱器熱量傳遞示意圖

2.2按結(jié)構(gòu)分為二類

空分設(shè)備換熱器場(chǎng)結(jié)構(gòu)可分為管殼式換熱器和板翅式換熱器二類：

1）殼式換熱器又可分為繞管式換熱器（如主換熱器，過(guò)冷器等）和列管式換熱器（如

冷凝蒸發(fā)器）。

2）板翅換熱器一二十世紀(jì)八十年代后空分中廣泛采用的換熱器。

3.板翅式換熱器

3.1概述

3.1.1發(fā)展概況

熱流體

二十世紀(jì)三十年代英國(guó)馬爾斯頓?艾克歇爾瑟公司(MarstonExcelsionLtd.)首先用浸漬

釬焊法生產(chǎn)板翅式換熱器，四十年代美國(guó)曲萊恩公司和司徒華脫華納公司也生產(chǎn)板翅式換熱

器。六十年代FI本神戶制鋼和住友(株)在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)后生產(chǎn)板翅式換熱器。八十年代德

國(guó)林德公司引進(jìn)中國(guó)翅片成形技術(shù)(杭氧)后開始生產(chǎn)換熱器。

目前世界上主要有6個(gè)國(guó)家從事板翅式換熱器工業(yè)生產(chǎn)，它們分別是：

英國(guó)查特公司(CharlHeatExchangersLimited<England>),該公司原名為英國(guó)馬爾斯

頓?艾克歇爾瑟公司(MarslonExcelsion.Lld)。后被美國(guó)查特公司兼并。

美國(guó)查特公司(CharlHealExchangersPartnership<U.S.A>),,該公司原名為美國(guó)曲萊恩公

司(TraneCo.)。

法國(guó)諾頓公司(NordonCryogcnic<Francc>),該公司原名為美國(guó)司徒華脫?華納公司在法

國(guó)的一個(gè)子公司。

德國(guó)林德公司(LindeAG<Germany>).該公司1979年引講中國(guó)(杭氧,)技術(shù)后才開始牛

產(chǎn)板翅式換熱器。

日本神戶制鋼所(KobeSteelLtd<Japan>)

日本住友工業(yè)精密株式會(huì)社(SumitomoPrecisionPrcductsCo)

我國(guó)六十年代中期杭氧研究所進(jìn)行試驗(yàn)研究，七十年代后期開發(fā)成功并在空分設(shè)備上

得到應(yīng)用。但初期產(chǎn)品質(zhì)量較差，經(jīng)過(guò)質(zhì)量和技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提高，使用壽命

達(dá)到二十年以上°九十年代杭氧引進(jìn)美國(guó)S.W.公司(Stewarwarnersouthwindcorp.)大型真

空釬焊爐和高壓板翅式換熱器制造技術(shù)，使我國(guó)板翅式換熱器制造技術(shù)得到飛速發(fā)展，達(dá)到

國(guó)外二十世紀(jì)九十年代水平。杭氧，開封，川空是目前我國(guó)板翅式換熱器主要生產(chǎn)商。

國(guó)外生產(chǎn)板翅式換熱器最高設(shè)計(jì)壓力為lOMpa,外形尺寸達(dá)10000*1300*1300mm；國(guó)內(nèi)

生產(chǎn)板翅式換熱器最高設(shè)計(jì)壓力8.0Mpa,最大外形尺寸6000?7000*1200*1200mm。

3.1.2板翅式換熱器特點(diǎn)

1)傳熱效率高。由于翅片的特殊結(jié)構(gòu)，使流體在沆道中形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，有效降低了熱

阻，提高了傳熱效率，傳熱系數(shù)比管殼式換熱器高。

2)結(jié)構(gòu)緊湊，單位面枳換熱面枳為管殼式換熱器的5倍以上，最大可達(dá)幾十倍。管殼

式換熱器一般為l50-200m2/m3。而板翅式換熱器因?yàn)槌崞哂袛U(kuò)展二次表面的特點(diǎn)，傳熱

面積達(dá)到l500-2500m2/m3,最高可達(dá)4370m2/m3,

3)輕巧、牢固。換熱器的翅片和隔板都很薄，且經(jīng)釬焊成整體，因而重量輕、強(qiáng)度高，重

量?jī)H為列管式換熱器的1/I0o

4）適應(yīng)性大，可適用多種介質(zhì)熱交換。在同一設(shè)備內(nèi)可允許多達(dá)10多種介質(zhì)之間熱交

換，可作氣?氣、氣?液、液-液之間換熱，亦可作冷凝和蒸發(fā)。

5）經(jīng)濟(jì)性好。由于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，大大降低了

設(shè)備投資費(fèi)用。

6）板翅式換熱器因流道狹小，易堵塞，翅片和隔板都很薄,

要求介質(zhì)清潔、干凈、無(wú)腐蝕性，一旦發(fā)生堵塞或腐蝕而造

成串漏，維修困難。

3.L3板翅式換熱器的應(yīng)用

板翅式換熱器由于它優(yōu)越性能和成熟的技術(shù)已在各工業(yè)部門得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

空氣分離設(shè)備：空分設(shè)備的主換熱器、過(guò)冷器、冷凝蒸發(fā)器等低溫?fù)Q熱器采用板翅式

換熱器后節(jié)省了設(shè)備投資和安裝費(fèi)用，降低了單位能耗。

石油化工：板翅式換熱器具有處理量大、分離效果好、能耗低等優(yōu)點(diǎn)已被用于乙烯深

冷分離、合成氨氮洗、天然氣、油田氣分離與液化。

工程機(jī)械：經(jīng)過(guò)20多年研究實(shí)踐和生產(chǎn)技術(shù)提高，世界各

國(guó)已在汽車、機(jī)車散熱器、挖掘機(jī)油冷器、制冷機(jī)散熱器、

大功率變壓器散熱器上成批生產(chǎn)和使用板翅式換熱器。

超導(dǎo)和宇宙空間技術(shù)：隨低溫超導(dǎo)和宇宙空間技術(shù)發(fā)展，為

板翅式換熱器的應(yīng)用提供了新的途徑，美國(guó)阿波羅飛船和中

國(guó)神州飛船都有應(yīng)用。

3.2結(jié)構(gòu)

3.2.1基本結(jié)構(gòu)

板翅式換熱器結(jié)構(gòu)形式很多，但單元基本結(jié)構(gòu)相同，如圖1.2所示。它

由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片組成。在相鄰兩隔板之間放置翅片、導(dǎo)流片和封條,

組成一個(gè)通道，按設(shè)計(jì)要求對(duì)各通道進(jìn)行不同疊積和適當(dāng)排列，釬焊成整體，

就可得到最常用的逆流、錯(cuò)流、錯(cuò)逆流板翅式換熱器芯體（又稱板束），在兩端

配置適當(dāng)?shù)牧黧w出入口封頭（或集流箱），就成一完整板翅式換熱器。

隔板主要用于介質(zhì)的分隔，也是熱量傳遞和承壓主要元件，按使用壓力不同，厚

度一般在0.8?2mm。

封條在換熱器周邊起密封和支撐作用，高度與翅片相匹配，寬度按承受壓力不同

為15~40mm。

翅片是換熱器最基本的傳熱元件，并有兩隔板之間的支撐作用。根據(jù)介質(zhì)和傳熱

工況的不同，翅片高度在2.5?12mm之間，厚度在0.1?0.5mm,盡管翅片很薄，因?yàn)楣?jié)距小,

翅密因而能承受較高壓力，

導(dǎo)流片常用于流體進(jìn)出口，起流體的分配與匯集作用，是多孔型翅片中

一種。但節(jié)距較大。厚度一般為0.4~0.6mm。

側(cè)板也稱蓋板，是換熱器最外側(cè)平板，對(duì)換熱器起保護(hù)作用，也便于換熱器支架的焊

接，厚度通常在5?6mm。

圖1板翅式換熱器通道結(jié)構(gòu)圖圖2典型多股流釬焊鋁制板翅式換熱器示意圖

3.2.2翅片的選擇和形式

1）翅片的選擇

板翅式換熱器的傳熱過(guò)程主要依靠翅片來(lái)完成，部分由隔板來(lái)完成。大部分熱量經(jīng)翅片通過(guò)

隔板傳到冷流體，或不是通過(guò)隔板直接傳熱的，故翅片又稱“二次表面”。二次表面?zhèn)鳠崦娣e

與總傳熱面積之比，最大為90%。

翅片的選擇，需要根據(jù)最高工作壓力、流體性能、傳熱特性、允許壓降等因素來(lái)考慮。為了

有效的發(fā)揮翅片的作用，使其具有較高的翅片效率，在給熱系數(shù)大的場(chǎng)合，選用低而厚的翅

片。相反，在給熱系數(shù)小的場(chǎng)合，以選用高而薄的翅片為宜，以增加換熱面積來(lái)彌補(bǔ)給熱系

數(shù)的不足。翅片的形狀以流體的性能和實(shí)際使用的條件等來(lái)選定，對(duì)于高溫流體和低溫流體

之間溫差較大的情況，宜選用平直翅片，溫差較小的情況選用鋸齒翅片：若流體中如黏度較

大的油等，宜選用波紋翅片或者多孔翅片以增強(qiáng)擾動(dòng)；如在流體中含有固體懸浮物時(shí)，選用

平直翅片；如在傳熱過(guò)程中有相變化的冷凝、蒸發(fā)等情況，宜選用多孔翅片。

2）翅片的形式

翅片形式很多，最常用的有平直翅片、多孔翅片、鋸齒翅片和波紋翅片四種形式。每種

形式翅片因高度和節(jié)距不同，又可分為多種規(guī)格。翅片形式如圖3所示。

平直翅片有很長(zhǎng)的帶光滑壁面的長(zhǎng)方形翅片，其傳熱特性和流體流動(dòng)特性與流

體在圓形管道中的傳熱和流動(dòng)特性相似，翅片的主要作用是獷大傳熱面。

鋸齒翅片翅片相隔一定距離屢次被切斷并使之向流道突出.促講了流體湍動(dòng)和

破壞熱阻邊界層，從而強(qiáng)化傳熱過(guò)程，使之傳熱效率提高。鋸齒翅片與平直翅片比較，在壓

力降相同條件下，放熱系數(shù)提高了30%以上，被稱為“高效翅片工

多孔翅片在平直翅片上沖出許多孔洞而成的.翅片上孔洞使熱阻邊界層不斷發(fā)生

斷裂，以提高傳熱性能，也有利于流體再分配，常用于流體的進(jìn)出口分配段和流體有相變

（冷凝、蒸發(fā)）場(chǎng)合。多孔翅片開孔率一般在5-10%之間，孔的排列有正三角形、長(zhǎng)方形和

平行四邊形三種，孔徑與孔距無(wú)一定關(guān)系。

波紋翅片光直翅片上沖壓成一定的波形（如人字形），使流體在彎曲流道中不斷

改變流動(dòng)方向，以促進(jìn)流體的湍動(dòng)，分離和破環(huán)傳熱邊界層，波紋越密，波幅愈大其傳熱性

能愈好。

波紋型翅片多孔型翅片

平直翅片鋸齒翅片

3.2.3翅片參數(shù)

翅片高度翅片厚度翅片節(jié)距當(dāng)量直徑通道截面積傳熱面枳二次表面與總面積之比

翅型

22

HmmImmPmmDemmfimFimF2/Fi

P、D3.00.21.51.780.002435.460.683

J3.80.21.41.800.003086.850.75

J4.70.32.02.450.003746.100.721

D5.00.21.01.370.0038411.200.857

J5.00.21.41.920.004118.570.800

J5.00.32.02.500.00406.400.734

J6.350.151.01.500.0052714.100.879

J、D.B6.350.21.42.010.005279.500.820

J、D.B6.350.21.72.410.005439.000.804

B6.350.251.72.340.00528.880.809

D、B6.350.51.51.710.00399.130.854

D6.350.52.52.980.004686.280.745

D6.350.64.24.430.004934.450.616

J9.50.151.01.560.007920.400.917

J9.50.201.21.800.0077517.200.903

J、B9.50.201.42.120.00797I5.(X)0.886

J、D9.50.201.72.580.005212.700.861

D9.50.202.03.020.0083711.1()0.838

D9.50.604.25.130.007635.950.713

J、B12.00.151.52.420.010717.600.898

P、D12.00.252.03.050.010313.500.870

1),指有效寬度為1米，一層通道的截面枳m2

2),指有效寬度為1米，有效尺度為1米，一層通道傳的傳熱面積m2

其中：一次傳熱面二次傳熱面枳

c4X?y

3)De=-7-當(dāng)量直徑

2(f)

4)翅內(nèi)距X=P-f:湖內(nèi)高通道有效寬度W：通道有效長(zhǎng)度Lm

翅才型式：P一平直5?:D—多孔型：J一用齒型：B一波統(tǒng)型。

物片型式：P—平直型：D一多孔型；J一鋸齒型：B一波紋型。

3.2.4整體結(jié)構(gòu)

1)流體流向與傳熱溫差

(1)流體流向

板翅式換熱器按不同的操作條件?？蓪⒘黧w布置成順流、逆流、錯(cuò)流和混合流等形式。

混合流如圖4所示。

兩流體平行同向流動(dòng)稱順流，順流時(shí)冷流體出口溫度總是低于熱流體出口溫度，所以

平均溫差最小。兩流體平行逆向流動(dòng)稱為逆流，逆流時(shí)冷流體的出口溫度可以高于熱流體的

進(jìn)口溫度，在冷、熱流體的性質(zhì)、流量、進(jìn)口溫度及換熱面積都相同的條件下，逆流布置時(shí)

冷熱流體間具有最大的平均溫差。而且逆流時(shí)，流體的速度能較好的與傳熱效能相結(jié)合，使

換熱器的結(jié)構(gòu)較緊湊合理。兩流體垂直交叉流動(dòng)稱錯(cuò)流，錯(cuò)流平均溫差可看作逆流時(shí)平均溫

差的基礎(chǔ)上，給與小于1的修正，所以錯(cuò)流的平均溫差介于順流和逆流之間?；旌狭魇且徊?/p>

分流體呈逆流，一部分流體成錯(cuò)流，采用這種布置形式最大優(yōu)點(diǎn)是多種流體能同時(shí)進(jìn)行熱

交換，合理分配傳熱面積：使設(shè)備布置更加緊湊。因而混合流布置特別適用于多股流換熱中

流體布置。

因此，換熱器在?般情況下均采用逆流布置，由于結(jié)構(gòu)或其他因素而無(wú)法采用逆流時(shí)應(yīng)盡

量采用錯(cuò)流或混合流，避免采用單純的順流。

(2)傳熱溫差

圖3-14換熱器流體流向不同時(shí)的溫度變化

換熱器平均傳熱溫差與流體的溫度變化規(guī)律和流體流向有關(guān)。計(jì)算流體的平均傳熱溫差

有三種方法。

?算術(shù)平均溫差若把冷、熱流體沿著換熱面的溫度變化認(rèn)為是線性關(guān)系，則算術(shù)平均溫差

就是兩端溫差的算術(shù)平均值

n

AAr'+Ar

由于實(shí)際溫度變化并非是直線關(guān)系，因此算術(shù)平均溫差是近似的，一般在低溫?fù)Q熱器

中很少采用。

?對(duì)數(shù)平均溫差當(dāng)冷、熱流體的比熱容、流量和傳熱系數(shù)在換熱過(guò)程種基本不變時(shí)，流體溫

度沿?fù)Q熱面是按指數(shù)規(guī)律變化，采用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算

式中：一一流體兩端溫差中較大者；

A/"——流體兩端溫差中較小者。

錯(cuò)流和混合流的對(duì)數(shù)平均溫差，可在逆流對(duì)數(shù)平均溫差的基礎(chǔ)上給予修正，即

△‘帶流或混合流=△“逆￡&

式中：一一將錯(cuò)流或混合流換熱器看做純逆流布置時(shí)，計(jì)算得到的對(duì)數(shù)平均溫差;

一一考慮到錯(cuò)流或混合流時(shí)，實(shí)際溫差要小于，引入一個(gè)小于

1的修正系數(shù)，可查機(jī)械工程手冊(cè)熱工篇。

當(dāng)時(shí)，對(duì)數(shù)平均溫差與算術(shù)平均溫差兩者差不到4%。

?積分平均溫差（MTD）在相變或超臨界狀態(tài)時(shí)，比熱容變化劇烈，此時(shí)流體平均溫差

若按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算，誤差較大，此時(shí)應(yīng)采用積分平均溫差計(jì)算。積分平均溫差反映了換

熱器真實(shí)的平均溫差，所以比較精確。

?積分平均溫差計(jì)算方法如下：

?作出冷、熱流體的溫度一熱焰圖（T—Q圖）；

?把曲線分成數(shù)個(gè)區(qū)間，使每個(gè)區(qū)間內(nèi)曲線近似為直畿：

?分別計(jì)算每個(gè)區(qū)訶的對(duì)數(shù)平均溫差；

?加權(quán)計(jì)算MTD

MTD=

JMTD

分段越多，溫差計(jì)算越精確。

2）導(dǎo)流片布置

導(dǎo)流片?般布置在換熱器流體進(jìn)出口兩端、把流體均勻分配到換熱翅片的流道或?qū)⒘黧w匯

集于封頭中。導(dǎo)流片是多孔翅片的一種，通常它節(jié)距較大、厚度較厚，她還起保護(hù)換熱器翅

片在制造時(shí)免受損壞的作用。

圖6是幾種典型的導(dǎo)流片布置形式，根據(jù)操作條件和特殊布置要求，也可采用其它布置形

式。

仰面導(dǎo)漉片中間導(dǎo)流片

對(duì)角線型.A

對(duì)向線飛

對(duì)角線型MB”

斜接

具白1根或多根封條的

再流入導(dǎo)流片-A-

UllluiWjl、、

7

雙進(jìn)出型的雙進(jìn)出型

接導(dǎo)漉片具有I根或多根封條的

再流入導(dǎo)波片-B-

圖6導(dǎo)流片類型

3）換熱器組合

板翅式換熱器在制造時(shí)其截面和長(zhǎng)度都受到工藝裝備的限制（如釬焊爐等），所

以在大型設(shè)備中換熱器往往需要通過(guò)多個(gè)單元的串聯(lián)和并聯(lián)加以組合。多個(gè)單元組合時(shí)，

很重要的一個(gè)問(wèn)題就是要使流體在各個(gè)單元中能夠均勻分配，減小和防止偏流。

在大容量熱交換時(shí)，單元體多數(shù)是并列的，由于流體的分配和匯合的壓力損失及

摩擦損失，在單元體并列方向產(chǎn)生壓力梯度，致使單元體流量不均勻，集合器的設(shè)計(jì)，應(yīng)

考慮單元體的壓力損失。一般應(yīng)控制流量不均勻在一定的許可范圍內(nèi)（如，W5與）。所以集

合器設(shè)計(jì)時(shí)，集合器的總面積應(yīng)大于各單元的進(jìn)口管面積的總和，從而減少流體分配不均

勻現(xiàn)象。

單元組合基本上有三種組合方式，對(duì)稱型、對(duì)流型和并流型。如圖7所示。從流體均布觀點(diǎn)

出發(fā)，應(yīng)盡量采用對(duì)稱型，避免并流型。同時(shí)由于各單元的流體阻力有可能不一樣，組合時(shí)

應(yīng)注意阻力的匹配，工藝管道的布置也需注意這

4.設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1熱量傳遞三種基本方式及其組合

熱量傳遞的過(guò)程往往是傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式的組合。最常見(jiàn)的是冷流體和熱流體被壁

面隔開，熱量從熱流體穿過(guò)壁面?zhèn)鬟f給冷流體，這個(gè)過(guò)程稱為熱量傳遞。例如各種管式和板

翅式換熱器。

4.1.1熱傳導(dǎo)和熱導(dǎo)率

熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部分子和原子的微觀運(yùn)動(dòng)所引起的一種熱量轉(zhuǎn)移方式。金屬是自由電

子運(yùn)動(dòng)；非金屬和液體是原子或分子平衡位置振動(dòng)；氣體是分子不規(guī)則碰撞。所以，熱傳導(dǎo)

在固體、液體和氣體中都能發(fā)生。

平壁熱傳導(dǎo)計(jì)算為：

0二/4（射一卬2）二n&《W

OX

久——熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)W/m?4C）

為了比較導(dǎo)熱量:的大小，在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)每平方米表面積所傳導(dǎo)的熱量稱為熱流

密q。熱流密度表達(dá)式為：

q=—=?—W/nf

F5

從式可以看出，溫差A(yù)t愈大，的熱量也愈大傳導(dǎo)。6/人愈大，熱流密

度就愈小，它表明了阻礙熱傳導(dǎo)阻力的大小。

用熱阻概念分析判斷傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱極為有用。為了增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，就應(yīng)該使熱阻減小,

這時(shí)可選用薄壁和熱導(dǎo)率大的材料。相反，要求保溫的場(chǎng)合，為削弱傳熱，就要增大熱阻，

選用厚壁和熱導(dǎo)率小的材料。

1）熱導(dǎo)率

一般地說(shuō)，熱導(dǎo)率的數(shù)值以金屬最大，液體次之，氣體最小。常用材料的

熱導(dǎo)率見(jiàn)表3-1。

2）絕熱材料

熱導(dǎo)率較小的固體材料有良好的絕熱效果，把在常溫下熱導(dǎo)率小F0.23W/m?°C的材料

稱為絕熱材料。但當(dāng)含有水分時(shí)?，熱導(dǎo)率會(huì)顯著增大，所以空分設(shè)備冷箱中絕熱材料應(yīng)保持

干燥。常用絕熱材料有珠光砂（膨脹珍珠巖）、碳酸鎂、玻璃棉等。

表3-1常用材料的熱導(dǎo)率

熱導(dǎo)率入熱導(dǎo)率、

材料名稱材料名稱

[W/(m?℃)][W/]

銅383礦渣棉0.04-0.046

鋁204玻璃棉0.037

鋼約47珠光砂0.035

不銹鋼29碳酸鎂0.026?0.038

木材0.12水約0.58

紅磚0.23?0.58空氣0.023

4.1.2對(duì)流放熱和放熱系數(shù)

流動(dòng)著流體和與它直接接觸的壁面間熱量傳遞稱為對(duì)流放熱。對(duì)流放熱只可能發(fā)生在

氣體和液體中。

對(duì)流放熱計(jì)算式為

（/）=a-F'（tf}-twi）=a-F-ArW

用熱流密度來(lái)表示對(duì)流放熱

_￡=Ww/m2

F\/a

為對(duì)流放熱系數(shù)（W/m2?°C）,它表示放熱過(guò)程強(qiáng)弱，它與流體物性、流動(dòng)狀態(tài)、

換熱面積和傳熱溫差有關(guān)，

1）對(duì)流放熱形式

對(duì)流放熱可分為無(wú)相變對(duì)流放熱和有相變對(duì)流放熱。無(wú)相變對(duì)流放熱又有受迫對(duì)流放

熱和自然對(duì)流放熱之分。受迫對(duì)流放熱是在泵、壓縮機(jī)等外力作用下，造成流體流動(dòng)，乂稱

強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是由于流體各部分溫度不同（密度不同）而引起的流體流動(dòng)。

有相變對(duì)流放熱又分為沸騰放熱和冷凝放熱。

工業(yè)上使用的換熱器中流體的放熱，絕大部分屬于受迫對(duì)流放熱。

2）放熱系數(shù)

比較各種類型的對(duì)流放熱，大致可以得出以下結(jié)論：

液體的對(duì)流放熱系數(shù)比氣體高；同一種流體，受迫對(duì)流放熱比自然對(duì)流強(qiáng)烈。有相變的

對(duì)流放熱系數(shù)比無(wú)相變的對(duì)流放熱系數(shù)大。

對(duì)流放熱系數(shù)通常都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，放熱系數(shù)大致范圍見(jiàn)表3-2o

表3-2常見(jiàn)放熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

放熱系數(shù)a放熱系數(shù)a

放熱性質(zhì)放熱性質(zhì)

[W/(m2.℃)][W/(m2-r)]

水蒸氣冷凝4600?17400水的沸騰600?52300

氮的冷凝2000-2300油的加熱或冷卻60?1750

氧的沸騰1400-2100空氣的加熱或冷卻10?115

水的加熱或冷卻600?930

4.1.3輻射

當(dāng)一物體的熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能，以電磁波形式傳播給另一物體，另一物體吸收了部

分輻射能，并轉(zhuǎn)化熱能，兩個(gè)溫度不等的物體以這種方式的熱量傳遞過(guò)程稱輻射。電磁波的

傳播不需要中間介質(zhì)，因而輻射換熱是真空中唯一的熱傳遞方式。

輻射換熱的計(jì)算式為

-（急4]W

￡系統(tǒng)黑度；Co黑體輻射系數(shù)；（1）角系數(shù)；具體計(jì)算參見(jiàn)機(jī)械工程手冊(cè)熱工篇。

空分設(shè)備中流體與設(shè)備壁面的溫度均較低，溫差很小，輻射不是主要的傳熱方式，一

般不加考慮。只有在低溫液體貯運(yùn)設(shè)備（貯槽，輸液管等）才必須加以詳細(xì)計(jì)算。

（1）4.1.4.多種傳熱方式組合

（2）熱量傳遞以熱傳導(dǎo)、對(duì)流放熱、輻射三種方式進(jìn)行。在工程上，熱量傳遞通

常不是以單?形式存在，而往往是二種或三種方式的組合。現(xiàn)以空分設(shè)備為例來(lái)說(shuō)明。

(3)主換熱器

空氣對(duì)流壁面1熱傳導(dǎo)璧面2對(duì)流氧氣（或氮?dú)猓?/p>

-?-------?------?

（4）冷凝蒸發(fā)器

氣氮冷凝臂面］熱傳導(dǎo)號(hào)面2沸騰液等

（5）貯槽

外界大氣自然對(duì)流外殼外壁熱傳導(dǎo)外殼內(nèi)壁輻射內(nèi)膽外壁

--------?-------?----?

熱傳導(dǎo)「內(nèi)膽內(nèi)壁自然對(duì)流;蟒（或液氮）

4.2傳熱設(shè)計(jì)

4.2.1傳熱過(guò)程分析

板翅式換熱器屬間壁式換熱器，主要特點(diǎn)是具有擴(kuò)展的二次表面，所以傳熱過(guò)程不僅在一

次傳熱面（隔板），而且也同時(shí)在二次傳熱面（翅片）進(jìn)行。二次傳熱面的傳熱過(guò)程是沿翅

片高度方向進(jìn)行的，一方面沿翅片通過(guò)熱傳導(dǎo)不斷導(dǎo)入熱量，另一方面通過(guò)翅片表面和流

體對(duì)流放熱，把熱量傳給冷流體。由于翅片高度大大超過(guò)翅片厚度，所以翅片導(dǎo)熱類似于長(zhǎng)

桿導(dǎo)熱，翅片表面平均溫度低于翅片根部溫度（隔板表面溫度）。翅片表面溫度分布曲

線如圖1（）所示：

圖10翅片表面溫度分布示意圖

通過(guò)一次表面?zhèn)鳠崃恳訯1表示：

通過(guò)二次表面?zhèn)鳠嶙钜訯2表示：

。2=々3也,”一。）⑵

由于二次表面?zhèn)鳠釡夭钚∮谝砸淮伪砻鎮(zhèn)鳠釡夭睿趥鳠嵘蠟楸阌谔幚?，把二?/p>

表面?zhèn)鳠釡夭羁醋骱鸵淮伪砻鎮(zhèn)鳠釡夭钕嗟龋紴?，但二次表面的傳熱面積應(yīng)打一折扣，

以翅片效率表示：

。2=。,瑪?％,hlf）（3）

a?一匕一。）=。=”匕一。）

"7

翅片效率的物理意義是二次表面的實(shí)際傳熱溫差和一次表面?zhèn)鳠釡夭畹谋戎怠?/p>

超片效率根據(jù)長(zhǎng)桿導(dǎo)熱機(jī)理以雙曲正切函數(shù)表達(dá)為：

仁士=皿（5）

式中：----翅片參數(shù)，l/m；

一一翅片定性尺寸（二次表面熱傳導(dǎo)最大距離），m；

單迭布置（冷、熱間隔）l=H/2；

復(fù)迭布置（冷：熱=2:1）、（冷：熱=3:1）；

流體放熱系數(shù)，W/（m2-K）；

——翅片材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.K）；

翅片厚度，mo

板翅式換熱器傳熱過(guò)程是?次表面和二次表面同時(shí)進(jìn)行的，總傳熱量是兩者之和。

Q=Q]+Q2=a-F（6）

以總傳熱面積和綜合表面效率來(lái)表示：

-一,%?匕T/）=a?片,（4-。）+。超〃/（4-。）⑺

-%=K+F”

￡+尸2為?_（K+工）一產(chǎn)2+尸2-

表面效率的物理意義是，把二次傳熱面和一次傳熱面等同看待（總的傳熱面就等于一、

二次傳熱面之和），而傳熱溫差都等于一次傳熱面的傳熱溫差時(shí)對(duì)總傳熱面積所打的折扣,

所以表面效率總是小于1。由于總是小于1,表面效率總是大于翅片效率。同理，翅

片效率越高，則表面效率就越大。

板翅式換熱器傳熱方程：

熱流體

Q=卜〃一勒）（9）

冷流體

=

Q匕2—%）（10）

板翅式換熱器傳熱方程與一般換熱器方程的差別，僅僅在于考慮了表面效率。

4.2.2傳熱方程

板翅式換熱器的傳熱過(guò)程是一個(gè)穩(wěn)定傳熱過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)傳遞的熱量是相等的，且設(shè)

定沒(méi)有熱量損失。

熱流體對(duì)壁面的對(duì)流放熱量:

Q^=必(5-g)=J(11)

a/i%

壁面的導(dǎo)熱量：

Qpk-(⑵

O1

壁面對(duì)冷流體的對(duì)流放熱量：

=a-=

。22%Z7O2(rH-2r/2)?(13)

a2f7tn%

因板翅式換熱器隔板很薄，導(dǎo)熱系數(shù)又大，熱阻很小可忽略，則壁面兩側(cè)溫度幾乎相等,

即，所以：

Q=Q'=Q2

1/1-41)+(42-，/2)=_______7/2

。2〃02”2與a力02

(14)

即

K],?ST/2)=K2,2,(//I-2)

。=FQl(。。(15)

得熱流體傳熱系數(shù)K1和冷流體傳熱系數(shù)K,:

(16)

%%2^02

K1(17)

2一1「

a小F°ia叫02

則板翅式換熱器傳熱面積：

F=Q(18)

K?4

式中：一一流體平均傳熱溫差，K

單元理論長(zhǎng)度：

F

Li=(19)

式中：一一流體通道數(shù)

w——通道有效寬度

Fi一—指寬度為1米，有效長(zhǎng)度為1米時(shí)一層通道的傳熱面積；

實(shí)際有效長(zhǎng)度

L=(l.l~1.15)。

為保證流體在通道內(nèi)均勻分配，在板束的進(jìn)出口均需設(shè)置一定長(zhǎng)度導(dǎo)流片后，為板翅式換

熱器的最終實(shí)際長(zhǎng)度。

在板翅式換熱器設(shè)計(jì)中，一般以局部熱負(fù)荷平衡偏差、允許阻力值、通道計(jì)算長(zhǎng)度偏差為主

要控制指標(biāo)，進(jìn)行通道分配和排列，應(yīng)注意到各股流體通道的傳熱計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)基本接近，

使換熱器設(shè)計(jì)更趨合理，有一個(gè)最小外形尺寸。尤其對(duì)流體間溫差小，溫降大的低溫?fù)Q熱器

更為重要。

4.3放熱系數(shù)確定

4.3.1無(wú)相變對(duì)流放熱系數(shù)

板翅式換熱器放熱系數(shù)是通過(guò)試驗(yàn)研究，最后整理為傳熱因子j、摩擦因子f與雷諾數(shù)Re

的試驗(yàn)曲線來(lái)表達(dá)。每個(gè)公司因其翅片型式，嫂片參數(shù)不同和加工工藝差異，對(duì)某一種翅片

都有一組相應(yīng)的翅片性能曲線。

傳熱因子：

放熱系數(shù)：

式中:Pr普朗特?cái)?shù)，

斯坦登數(shù)，

Re雷諾數(shù)，

G質(zhì)量流速，

V體積流量，m3/s

P流體密度，Kg/m3

Cp比熱容，J/Kg-K

u粘度，N?s/m2

X導(dǎo)熱系數(shù)，w/m?k

傳熱因子j、摩擦因子f與雷諾數(shù)Re的關(guān)系，如圖11所示

圖11j、f與Rc之間的關(guān)系

4.3.2相變時(shí)放熱系數(shù)

1）冷凝蒸發(fā)器的型式

空分設(shè)備上冷凝蒸發(fā)器是產(chǎn)生相變的熱交換設(shè)備。它借助于從上塔下流的液氧蒸發(fā)來(lái)

冷凝由下塔上升的氣氮，產(chǎn)生氣氧和液氮。除部分作產(chǎn)品外，主要保證上、下塔精錨過(guò)程的

正常進(jìn)行。

冷凝蒸發(fā)器（又稱主冷凝器）有列管式、盤管式和板翅式三種結(jié)構(gòu)形式。列管式又有

短管式和長(zhǎng)管式兩種類型，短管式冷凝蒸發(fā)器，管長(zhǎng)一股在1?L2米以下，它液氧在管間

沸騰，氣氮在管內(nèi)冷凝，設(shè)置在上、下塔之間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)在500?55°W/m2?°C

左右，適用于中小型空分設(shè)備；而長(zhǎng)管式冷凝蒸發(fā)器，管長(zhǎng)高達(dá)成2.5?3.6米，因而不便

于設(shè)置在上、下塔中間，一般都做成單獨(dú)設(shè)備用管道和上、下塔連接，傳熱系數(shù)在600?650

W/m2-C左右，它通常用于大型空分設(shè)備。

盤管式冷凝蒸發(fā)器是日本日立公司專利，在我國(guó)引進(jìn)的150nl3/h,3200m3/h和6500

m3/h空分設(shè)備上都有應(yīng)用。由于它結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管內(nèi)液氧形成了兩相流動(dòng)，有較大放熱系數(shù),

但這種結(jié)構(gòu)制造工藝燈雜,

板翅式冷凝蒸發(fā)器既類似于長(zhǎng)管式冷凝蒸發(fā)器的液氧在管內(nèi)蒸發(fā)，有較大的傳熱系

數(shù)。又似短管式冷凝蒸發(fā)器它可置于上、下塔中間有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。由于板翅式換熱器制

造技術(shù)已很成熟，所以它已被廣泛用于大、中、小型空分設(shè)備的主凝蒸發(fā)器，成為主冷凝器

最常用的?種結(jié)構(gòu)形式。

2）液氧在管內(nèi)沸騰特征

液氧在豎直管內(nèi)沸騰情況，如圖3-5所示。板翅式冷凝蒸發(fā)器液氧蒸發(fā)類似F管內(nèi)沸

騰。根據(jù)傳熱情況不同，整個(gè)過(guò)程分預(yù)熱區(qū)、沸騰區(qū)和飽和蒸汽區(qū)三個(gè)區(qū)域。細(xì)分可分為六

個(gè)區(qū)段。

預(yù)熱區(qū)1,液氧被加熱到飽和溫度。

始沸段2,液氧在飽和溫度下管壁處生成小汽泡上升，開始沸騰。

氣化段3,管內(nèi)充滿汽泡并形成均勻的汽液混合物，小汽泡在上升過(guò)程中不斷被液氧

補(bǔ)充，并吸收熱后而長(zhǎng)大。

活塞段4,小汽泡匯合成大汽泡，大汽泡上升運(yùn)動(dòng)類似活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)。

膜狀流動(dòng)段5,由汽液兩相形成的“大活塞”，以很高速度把液氧擠在管壁上，使之形

成薄膜狀流動(dòng)。薄膜狀流動(dòng)大大提高了沸騰放熱系數(shù)，因而放熱系數(shù)為整個(gè)豎管最大區(qū)段。

飽和蒸汽區(qū)6,液膜被蒸發(fā)成干蒸汽，管內(nèi)也全部成為氣體，故放熱系數(shù)大大降低，

也是整個(gè)豎管放熱系數(shù)最小區(qū)段。

綜上所述，液氧在管內(nèi)沸騰放熱的流體動(dòng)綜上所述，液氧在管內(nèi)沸騰放熱的流體動(dòng)學(xué)

特征，是在沸騰壁面上形成一層迅速流動(dòng)的以高強(qiáng)度進(jìn)行放熱的薄膜液層，使之有較大的放

熱系數(shù)。

圖3-5液氧在豎管內(nèi)沸騰示意圖圖3-6膜狀冷凝過(guò)程

在設(shè)計(jì)和操作中，應(yīng)使預(yù)熱區(qū)和飽和蒸汽區(qū)減小，使活塞段和膜狀流動(dòng)段大些，從而

使平均放熱系數(shù)增大。

沸騰放熱試驗(yàn)表明：

（1）一定，熱流密度q增大，亦隨之增大。

（2）q一定，增大，增大。

（3）（1、一定，當(dāng)視觀液面過(guò)低<h<0.2）,，部飽和蒸汽區(qū)過(guò)長(zhǎng)，壁面沒(méi)有被液

氧沖刷和復(fù)蓋，傳熱不好;而且液面太低，易造成乙烘和碳?xì)浠衔锞植繚饪s和析出，很不

安全。當(dāng)視觀液面過(guò)高（h>0.7）,預(yù)熱區(qū)增長(zhǎng)，沸騰區(qū)縮短，使氧氣帶液，沸騰放熱減弱；

而且液面過(guò)高，靜液柱增大，液氧沸騰溫度升高，導(dǎo)致傳熱溫差減小或卜塔壓力升高，能

耗增加。一般取h=0.8,對(duì)運(yùn)行有利。

3）氣氮平壁冷凝

氣氮在管外冷凝，形成液膜卜流，液膜自上而卜不斷加厚，整個(gè)壁面被液膜完整復(fù)蓋,

液膜是冷凝放熱必須克服熱阻。膜狀冷凝過(guò)程如圖3-6所示。

?冷凝放熱特征是：

?氣氮冷凝放出熱量，必須穿過(guò)液膜才能傳到壁面使液氧蒸發(fā)

冷凝放熱與液膜厚薄有關(guān)，液膜厚度與其流向和流動(dòng)形態(tài)有關(guān)。壁面頂部液膜薄呈層

流，下部液膜平厚紊亂。

在冷凝氣氮中，有頰氮等不凝性氣體存在，在壁面上形成不凝性氣膜，使熱阻增加，

放熱系數(shù)減小。

冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差很小，由于，主要熱阻在沸騰側(cè)，同時(shí)應(yīng)及時(shí)排放凝液和疑氮等不

凝性氣體。

應(yīng)指出的是：當(dāng)氣體流動(dòng)與下流液膜同向時(shí)，使液膜易于卜流，有利于放熱；當(dāng)氣流與下流

液膜逆向時(shí)，有礙于液膜下流，使液膜增厚，不利于放款。

4.3.3兩相流換熱器傳熱計(jì)算

有關(guān)板翅式換熱器兩相流放熱系數(shù)的計(jì)算比較復(fù)雜，1991年杭州制氧機(jī)股份有限公司引進(jìn)

美國(guó)S-W公司大型真空釬焊爐同時(shí)引進(jìn)了相關(guān)的計(jì)算軟件，在流體相變時(shí)放熱系數(shù)可依據(jù)

不同工況分別計(jì)算冷凝、蒸發(fā)和有冷凝蒸發(fā)及顯熱交換的放熱系數(shù)，見(jiàn)圖12,詳細(xì)計(jì)算參

考文獻(xiàn)【3】

圖為相變換熱系數(shù)

4.4多股流傳熱計(jì)算

全低壓空分流程主換熱器和乙烯冷箱深冷分離烯燃碳?xì)鋼Q熱器中，都有多股流體進(jìn)行

換熱（乙烯冷箱單臺(tái)換熱器流體最多達(dá)12股），并伴有流體兩相流換熱（冷凝和蒸發(fā)多

股流換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算是把多股流轉(zhuǎn)化成兩股流進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)把幾股正流體［熱流體)和幾股返流體(冷流體)分別擬合成一股相當(dāng)?shù)恼黧w

和一股相當(dāng)?shù)姆盗黧w，這樣就把多股流換熱轉(zhuǎn)化為兩股流換熱。

(2)按熱負(fù)荷把熱流體分成多股，分別與相應(yīng)的每股冷流體換熱，把多股流換熱轉(zhuǎn)化成兩

股流換熱。

(3)以流體進(jìn)出口和流體的露點(diǎn)、泡點(diǎn)為界劃分為若干段。逐段求出每段傳熱面積，然后

迭加得到每股流體所需的傳熱面積，以傳熱面積最大一股流體作為換熱器長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)中應(yīng)盡顯使換熱器內(nèi)各股流體的換熱長(zhǎng)度基本相同，并校核各股流體的壓力降均

應(yīng)在允許范圍內(nèi)，否則應(yīng)通過(guò)調(diào)整通道數(shù)，翅片型式或幾何參數(shù)等，厭過(guò)反復(fù)計(jì)算，最終

確定換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何尺寸。

板翅式換熱器傳熱計(jì)算采用HTFS軟件和美國(guó)S-W公司引進(jìn)的傳熱計(jì)算軟件以及自主

開發(fā)的傳熱計(jì)算軟件。杭氧傳熱計(jì)算主要應(yīng)用自主開發(fā)軟件，并用其他計(jì)算軟件進(jìn)行校核和

分析比較。

多股流換熱器物流示意圖和T-Q圖如圖所示。

流

流

流

體

體

體

123

3股流換熱器物流示意圖和T-Q圖

冷般

段

，

—

—

流

流

流

體

體

體

234

5股流換熱器物流示意圖和T-Q圖

多股流換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序框圖,如圖所示。

多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序框圖

4.5阻力計(jì)算

對(duì)于板翅式換熱器，一般在換熱器板束的進(jìn)口會(huì)有流動(dòng)的收縮現(xiàn)象和在板束出口

會(huì)有流動(dòng)的膨脹現(xiàn)象。突然收縮和膨脹，這樣產(chǎn)生了附加的氣流壓力損失。設(shè)計(jì)中壓力損失

是包括進(jìn)口和出口損失在內(nèi)總的板束壓力損失，所以必須計(jì)算這些附加損失。W.M.Kays在

這方面作了分析和試驗(yàn)研究，并得出板束進(jìn)口和出口壓力損失系數(shù)Kc和Ke的圖表用于換

熱器的設(shè)計(jì)。

換熱器總的壓力損失：

式中：進(jìn)口對(duì)阻力影響

2^-lj加速度對(duì)阻力影響

4，f?上?曳芯體本身的阻力

Dep2

（1一b2_h）包出口對(duì)阻力影響

P1

P%流體進(jìn)口、出口和平均密度

有效自由流動(dòng)面積與流體迎面面積之比,

心〃某股流體通道數(shù)與板束通道總數(shù)

f摩擦因子

進(jìn)口和出口的壓力損失系數(shù)，是、的函數(shù)。見(jiàn)圖16。

具有突然收縮的進(jìn)口和突然膨脹的出口的由方截面通道構(gòu)成體熱交曙芯子的進(jìn)出口壓力損失系數(shù)

4.6空分中常用傳熱系數(shù)

杭州制氧機(jī)股份有限公司在1978年引進(jìn)德國(guó)林德公司(Lindeco.)大型空分設(shè)備

技術(shù)時(shí)，林德公司根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，介紹了空分設(shè)備冷凝蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中傳熱系數(shù)的

選取。在空分設(shè)備中，主冷凝蒸器、粗氯冷凝器傳熱系數(shù)為535Kcal/m，.h.℃,純氮蒸發(fā)器

傳熱系數(shù)為?400Kcal/nf.h.℃,純氫器冷凝器傳熱系數(shù)為300Kcal/m\h.eC,液空、液氧沸

腌放熱系數(shù)為1250Kcal/iri2.h.℃,氣氮、粗氫冷凝放熱系數(shù)為935Kcal/m2-h.

5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算

5.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

板翅式換熱器所有內(nèi)部構(gòu)件均通過(guò)釬焊結(jié)合在一起，當(dāng)換熱器被同時(shí)引入不同溫度的

幾股流體時(shí)，會(huì)使其構(gòu)件因熱脹冷縮而產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力，熱應(yīng)力必須處于所有材料允許范圍

內(nèi)，否則必須改變流程條件或改變換熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以減小溫差應(yīng)力和熱應(yīng)力，所以在

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予特別注意，

1.一般在穩(wěn)定狀態(tài)下，典型的板翅式換熱器不同流體之間的最大許可溫差為50C左右,

在兩相流、瞬變或循環(huán)變化等較為苛刻工況條件下，溫差應(yīng)小些，一般為20?30℃。

2.冷熱流體各個(gè)通道應(yīng)盡可能相互隔離，使各通道的熱負(fù)荷在盡可能小的范圍內(nèi)達(dá)到

平衡，以避免或減少溫度交叉和熱量?jī)?nèi)耗。

3.為增強(qiáng)傳熱，應(yīng)使各流體放熱系數(shù)接近。當(dāng)兩側(cè)放熱系數(shù)相差較大時(shí)，除選擇不同翅

片外，還可增加放熱系數(shù)較小一側(cè)的通道數(shù)量，即復(fù)迭布置。

4.換熱器并聯(lián)組合時(shí)，為使流體均布，應(yīng)使同一股流體的各個(gè)單元阻力基本相同。

5.當(dāng)有兩股流體需要定期切換時(shí)，為避免氣流脈動(dòng)和工況不穩(wěn)定，兩切換流體的通道

數(shù)應(yīng)該相等且應(yīng)相互毗鄰，

6.為便于制造和安裝，通道排列原則上應(yīng)對(duì)稱布置。

7、換熱器工作壓力較高和單元尺寸較大時(shí)，從強(qiáng)度，傳熱和制造工藝等要求出發(fā)，壓

力較高，溫度較低的流體應(yīng)布置在內(nèi)側(cè)，并考慮設(shè)計(jì)工藝層。

8、換熱器一般都應(yīng)配有支架和合適的起吊裝置。支架設(shè)計(jì)除應(yīng)能承受其自重外，還必須考

慮外部載荷，并留有設(shè)計(jì)余量。

若板翅式換熱器是壓力容器，其機(jī)械設(shè)計(jì)必須遵循壓力容器規(guī)范。

5.2強(qiáng)度計(jì)算

板翅式換熱器的封頭、接管和法蘭可采用ASME規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。但板束釬焊縫的檢

查受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，不可能進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和其他檢查，也無(wú)法作完整的強(qiáng)度計(jì)算，是通

過(guò)試件的爆破試驗(yàn)來(lái)確定翅片最大允許工作壓力。

美國(guó)鍋爐與壓力容器規(guī)范(ASME)第皿卷第一冊(cè)壓力容器建造規(guī)則UGT01規(guī)定，凡容

器或容器部件的強(qiáng)度難以準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)，其最大許用工作壓力可采用與產(chǎn)品幾何形狀相似試

件的爆破壓力來(lái)確定。

該驗(yàn)證試驗(yàn)的幾何形狀相似件，應(yīng)復(fù)蓋全部尺寸，壓力或其他變數(shù)的范圍，即翅片規(guī)格、封

條規(guī)格、隔板厚度、設(shè)計(jì)形狀與結(jié)構(gòu)形式與產(chǎn)品完全一致的一個(gè)有代表性的小尺寸試件。要

求試件的爆破壓力(翅片強(qiáng)度)應(yīng)是最大許用工作壓力4倍以I-.,且以翅片母材拉伸斷裂為

合格。翅片的最大許用工作壓力按下式確定：

桂1大爆破試驗(yàn)壓力x室溫下翅片拉伸強(qiáng)度額定值

取大許用工作壓力=--------4x翅片拉伸強(qiáng)度實(shí)測(cè)值----------

釬焊鋁制板翅式換熱器制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ALPEMA)規(guī)定，試件爆破壓力應(yīng)是翅片允許的最大

設(shè)計(jì)壓力的4?6倍。

NB/T47006-2009《鋁制板翅式換熱器》對(duì)翅片爆破試驗(yàn)試件的強(qiáng)度和幾何尺寸都有明確規(guī)定，

要求試件的爆破壓力應(yīng)不小于設(shè)計(jì)壓力的5倍?，且以翅片母材拉斷為合格。

6.板翅式換熱器制造工.

板翅式換熱器的生產(chǎn)過(guò)程，大致按如下流水作業(yè)：零件成形一清洗一組裝f釬焊一總

裝(焊接封頭、接管、支架等)檢查和試驗(yàn)包裝和成品出廠。真空釬焊制造板翅式換熱

器的工藝流程見(jiàn)圖。

釬焊是板翅式換熱器整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程最重要的工序，正確選擇釬焊方法是制造高質(zhì)量換

熱器的關(guān)鍵。鹽浴浸漬釬焊和無(wú)熔劑真空釬焊是兩種最重要的釬焊方法，由于無(wú)熔劑真空釬

焊具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)和生產(chǎn)技術(shù)成熟，從20世紀(jì)80年代后期起，世界各國(guó)先后采用無(wú)熔

劑真空釬焊取代鹽浴浸漬釬焊，該工藝被認(rèn)為是板翅式換熱器生產(chǎn)技術(shù)重大的技術(shù)進(jìn)步。

1991年杭氧股份有限公司引進(jìn)美國(guó)S.W公司(SouthWindDivslonofStewartWarner

Corp.)大型真空釬焊爐及其生產(chǎn)技術(shù)。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)消化和吸收，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位先后研制

成功大型真空釬焊爐，使板翅式換熱器真空并釬焊技術(shù)在我國(guó)得到很快的發(fā)展。

△△△△△△△△

.TtirASMS/發(fā)?茹X￡

真空釬焊制造板翅式換熱器二藝流程

7.檢查試驗(yàn)與修補(bǔ)，存放

7.1.檢查試驗(yàn)

板翅式換熱器的檢查和試3僉，