空气分离制氧技术-第4章 换热器

第四章

换热器

4.1概述制氧机的换热器很多。空气在压缩过程中，为了提高等温效率就需要机壳冷却、级间冷却器、空气液化循环中需设置主换热器。空分装置的保冷箱中有液化器、过冷器以及精馏系统的主冷凝蒸发器等。它们的性能直接影响制氧机的经济指标，其可靠性关系着制氧机的安全运行状况。

4.2换热器分类

4.2.1换热器原理可分为三大类：

1、混合式换热器。冷、热流体通过直接接触进行热量交换，故亦称直接接触式换热器.如水冷塔、空冷塔。

2、蓄热式换热器。冷、热流体交替通过传热表面。当冷流体通过时将冷量（或热量）贮存起来，而后热流体（或冷流体）再将冷量取走。如蓄冷器。

3、间壁式换热器（亦称间接式换热器）。冷、热流体被固体传热表面隔开，而热量的传递通过固体传热面而进行。此类换热器应用十分普遍,在空分装置中所应用的换热器多属于此种类型。

间壁式换热器按其传热面的结构又分为：管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等。

4.2.2换热器根据流体状态变化可分为三种：

1、传热双方都没有相变。例如蓄冷器（或可逆式换热器）中是气体与气体之间的传热。过冷器是气体与液体间的传热。

2、仅有一侧发生相变。例如液化器是气体与冷凝气体之间的传热。饱和空气在液化器中放出热量后部分变成液体。

3、传热双方都有相变。如主冷凝器和辅助冷凝器中气氮放出热量冷凝成液氮、液氧吸收热量蒸发为气氧。

4.3换热器的结构形式及工作原理

4.3.1空冷塔的作用及工作原理

为了使冷却水与空气充分接触，充分混合，以增大传热面积，强化传热通常采用的是“填料塔”或“筛板塔”。也有用空心喷淋塔的。

目前我国大型空分设备的空气冷却塔主要采用上段为填料塔，装新型塑料环，下段为筛板塔取得了较好的效果。顶部的传热温差只有0.5℃，并彻底解决了结垢问题。

其次，在空气冷却塔中，空气和水直接接触，既换热又受到了洗涤，能够清除空气中的灰尘，溶解一些有腐蚀性的杂质气体如H 2S、SO 2、SO 3等，避免板翅式换热器铝合金材质的腐蚀，延长使用

寿命。同时由于空气冷却塔的容积较大，对加工空气还能起到缓冲的作用，吸附器倒换时空压机不易超压。

4.3.2水冷塔的形式及工作原理

1、水冷却的结构大致有三种形式

①填料塔。目前在6000～30000m3/h的空分设备上使用一种新型的填料塔，采用阿尔法鲍尔环或共轭环及阶梯环。它是有流通量大、阻力小、传热效果好、强度好的优点。

②筛扳塔。塔板采用孔径和孔间距较大的淋降塔板，氮气及水都从筛孔通过，由于阻力大，换热不如填料塔，基本淘汰。

2、工作原理

水冷却塔是一种混合式换热器。在水冷却塔中水与污氮逆向直接接触，由于污氮是不饱和的，所以一部分水蒸发变成蒸汽进入污氮。水蒸发时吸收大量潜能而使水得到冷却，必须指出：污氮吸湿是使水降温的主要因素。因此污氮的温度是影响冷却效果的关键。

在分子筛净化流程普遍推广的今天，氮水预冷器的设置尤为重要，通常分子筛纯化器吸附要求加工空气入纯化器的温度为8～12℃，为此空冷塔要采用两级喷淋。一级为常温水。二级喷淋为泠冻水。水冷塔冷却水温要保持在15～18℃。再经过氟里昂制冷机冷却而形成冷冻水，其水温在5～8℃。才有可能保证出空冷塔空气温度在控制范围内。

4.3.3间壁式换热器种类及形式（工作原理）

间壁式换热器又称为板翅式换热器或管式换热器（长管和短管）。随着科技不断发展，管式换热器由于体积大、重量重、成本高已被板翅式换热器取代。由于板翅式换热器结构紧凑、体积小、重量轻、传热效率高、热容量小、可缩短启动时间，成为当今空分设备的主流。以下着重介绍板翅式换热器。

4.4板翅式换热器

4.4.1翅片的型式及适用场合

翅片是板翅式换热器最基本的元件。它的作用是增大传热面积，实际上热流体通过隔板将热量传给冷流体时，因为翅片的面积比隔板大得多，大部分热量是隔板先传给翅片，再由翅片传给冷流体的。仅有一小部分是直接通过隔板来完成的。隔板同时还起到支撑和加固隔板的作用。使板束形成有机的整体，增加其强度。

常用的翅片有三种型式：光直型、锯齿型和多孔型。图4-1

光直型翅片是带光滑壁的长方形翅片。这种翅片主要的作用是扩大传热面积,对于促进流体扰动的作用很小。因此,它的传热性能稍差一些，但流动阻力小，宜用于高温流体和低温流体传热温差较大的情况。也用在流体有相变(冷凝或蒸发)时传热系数很大的情况。

锯齿型翅片是翅片间隔一定距离,有切口,并使之向流体突出。它对促进流体扰动和破坏层流边界层十分有效，所以传热性能很好。与光直型翅片相比，在压力降相同的的情况下，传热系数可高出30%以上，所以常用于高、低温流体温差较小的切换式换热器中。它一方面可以强化气体间的换热；一方面便于水分和二氧化碳的析出和清除。

多孔型翅片是在光直型翅片上冲出许多孔洞而成的。由于翅片上这些孔洞，层流边界层不断发生破裂，以提高传热性能。这种翅片常作为导流片和用在流体有相变（冷凝或蒸发）的场合。例如

冷凝蒸发器多采用多孔型翅片，以避免乙炔等碳氢化合物杂质结晶的局部集结。同时有利于汽化核心的生成。在冷凝侧，孔洞可破坏冷凝膜边界层，以增强放热。

4.4.2板翅式换热器的基本组成构件

它是一种全铝结构的紧凑式高效换热器。如图4-1所示。它的每一个通道由隔板、翅片、导流片和封条等部分组成。

图4-1板翅式换热器的基本元件

1封条；2翅片；3隔板

在两块相邻的隔板之间放置翅片、导流片，两边用封条封住，构成一个夹层，称为“通道”，将多个夹层进行不同的叠置或适当的排列，构成许多平行的通道，要通道的两头再配上冷、热流体进、出口的导流板，用钎焊的方法将它们焊成一体，就构成一组板式（或称单元）。再配上流体出入的封头管道接头，就构成完整的板翅式换热器。

隔板中间的瓦楞形的翅片一方面是对隔板起到支撑作用，增加强度；另一方面它又是扩展的传热面积，使单位体积内的传热面积大大增加，整个换热器可以做得紧凑，流体从翅片内的通道流过，由于在换热器内要实现冷、热流体间的换热，冷、热流体的通道要间隔布置。

冷、热流体同时流过不同的通道，通过隔板和翅片进行传热，故称之为板翅式换热器，也叫紧凑式换热器，它是当今空分装置中应用最广泛的换热器。

4.4.3板翅式换热器流体换热的实现

板翅式换热器适应性较大，可用于气——气、气——液、液——液各种不同流体之间的换热，而且通过各种流道的布置和组合，能够适应逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。如图4-2