传热原理及设备、换热器

传热原理及设备

2 0 1 2. 0 8. 杭州

传热原理及设备

1.概述

1.1热量传递的条件和方向

1.2研究传热过程的目的与任务1.3换热器在空分中重要性

1.4低温换热器特点

2.换热器分类

2.1按工作原理分

2.2按结构分

3.板翅式换热器

3.1概述

3.1.1发展概况

3.1.2板翅式换热器特奌

3.1.3板翅式换热器的应用

3.2结构

3.2.1基本结构

3.2.2翅片选择与形式

3.2.3翅片参数

3.2.4整体结构

4.设计计算

4.1热量传递三种基本方式及组合4.1.1热传导和热导率

4.1.2对流放热和放热系数

4.1.3辐射

4.1.4多种传热方式组合

4.2传热设计

4.2.1传热过程分析

4.2.2传热方程

4.3放热系数确定

4.3.1无相变对流放热系数

4.3.2相变时放热系数

4.3.3两相流换热器传热计算

4.4多股流传热计算

4.5阻力计算

4.6空分中常用传热系数

5.结构设计与強度计算

5..1结构设计

5.2強度计算

6.板翅式换热器制造工艺

7. 检査试验与修补、存放

7.1检查试验

7.2修补存放

8. 空分设备中几个典型换热器介绍

9. 谈几点工作中体会

1 .概述

1.1 热量传递条件和方向

在工业生产中和日常生活上，有各种热传递现象。如加热或冷却某种流体；液体的沸腾和气体冷凝等。人们把许多实践经验加以总结，得出了这样的结论：凡是不同物体之间或同一物体不同部分存在温度差（即t1-t2＞0），就一定有热量传递，而热量传递总是自动地由高温物体传向低温物体。如煤的燃烧使水沸腾；空调使房间空气变得凉快（或暖和）；凉水塔水的冷却……等等，从上述现象，可以得出结论：

t f1 - t f2 > 0

“凡有温度差存在，就有热量传递”。

1. 2 研究传热过程的目的和任务

研究传热过程的目的是应用传热学规律，解决工程上实际问题。如在某种场合要求尽快把热量传递出去，使物体冷却下来，也就是如何增强传热过程，如压缩机级间冷却器，空分设备各种换热器等；在另一种场合又要求防止和减少热量散失，把热量保存起来，也就是如何削弱传热过程，如钴炉保温层，暖水瓶真空隔层等。这是热量传递的两个方面，是我们经常要碰到的问题，应用传热学原理去给予解决和分析。

1.3换热器在空分中重要性

空分设备是以深冷分离方法来制取氧氮及其空气制品的成套装置，是高能耗设备，能耗与设备容量有关，大致为0.5～1.0KW/Nm3O2左右。

换热器作为空分设备成套装置重要部机，根椐设备大小不同，其投资占成套设备总额的10～20%，所以换热器传热性能好坏直接影响其投资成本（换热器价格，占地面积）和运行弗用（单位能耗），是成套装置技术性能和经济性重要考核指标。

当前全球气候变暖趋势下，联合国气候大会提出减排，低碳。环保和绿色能源是每一个国家应尽义务，可见换热器在空分中重要性。

1.4低温换热器特点

空分设备换热器特点是深低温，小温差。

1）传热过程多数在小温差下进行。传热温差越小，过程的不可逆损失也越小。计算表明，主换热器热端温差减小1℃，能耗减少2%左右；冷凝蒸发器温差减小1℃，能耗减少5%左右。

2）要求流动阻力小。流动阻力每增加10KPa，空压机排压要提高30 KPa。所以，一般选取较小流速，需要有较大的换热面积，因此宜选用有紧凑换热表面的换热元件。

3）气体温度接近饱和线时，其物理性质变化较大，应采用积分平均温差来计算传热温差，以提高计算精度。

4）低温换热器所用材料要求在低温下有良好机械性能。最常用材料为铝合金、铜合金、不锈钢等。

5）低温换热器应结构紧凑、体积小、重量轻。

6）换热器跑冷损失直接影响低温设备的能耗，所以应采取有效保冷措施。

2.换热器分类

工业上将凡是热量由热流体传递给冷流体的设备，都称热交换器，简称换热器。

热交换器的分类有很多种方法。如按使用目的分，可分为冷却器、加热器、蒸发器、冷凝器等；按结构分，可分为管壳式换热器（它又分为列管式、盘管式、套管式）和板式换热器（它又分为板翅式、板片式、螺旋板式）；按材料分，可分为金属换热器（它分为钢、铝、铜等）和非金属换热器（它分为玻璃、陶瓷、塑料、石墨等）

2.1按工作原理分为三类

空分设备换热器按工作原理可分为：间壁式换热器、蓄热式换热器和混合式换热器三类:

1）间壁式换热器冷热流体互不接触，两流体通过间壁（传热面）进行换

热。此类型换热器有主换热器、冷凝蒸发器、压缩机级间冷却器等。

2）蓄热式换热器冷热流体在一定时间间隔内，交替通过具有足够热容量的填料（卵石、金属丝等）进行热量传递。如石头蓄冷器、丝网蓄冷器等。

3）混合式换热器冷热流体通过直接接触和相互混合来进行热量交换，在传热过程中伴有质的交换，它传热速度快，设备结构简单。如空气冷却塔、水冷却塔等。

2) 板翅换热器—二十世纪八十年代后空分中广泛采用的换热器。

3.板翅式换热器

3.1 概述

3.1.1发展概况

二十世纪三十年代英国马尔斯顿·艾克歇尔瑟公司(Marston Excelsion Ltd.)首先用浸渍钎焊法生产板翅式换热器。四十年代美国曲莱恩公司和司徒华脱华纳公司也生产板翅式换热器。六十年代日本神户制钢和住友（株）在引进国外技术后生产板翅式换热器。八十年代德国林德公司引进中国翅片成形技术(杭氧)后开始生产换热器。

目前世界上主要有6个国家从事板翅式换热器工业生产，它们分别是：

英国查特公司(Chart Heat Exchangers Limited)，该公司原名为英国马尔斯顿·艾克歇尔瑟公司(Marston Excelsion.Ltd)。后被美国查特公司兼并。

美国查特公司(Chart Heat Exchangers Partnership)。该公司原名为美国曲莱恩公司(Trane Co.)。

法国诺顿公司(Nordon Cryogenie)，该公司原名为美国司徒华脱·华纳公司在法国的一个子公司。

德国林德公司(Linde AG)，该公司1979年引进中国（杭氧）技术后才开始生产板翅式换热器。

日本神户制钢所(Kobe Steel Ltd)

日本住友工业精密株式会社(Sumitomo Precision Products Co)

我国六十年代中期杭氧研究所进行试验研究，七十年代后期开发成功并在空分设备上得到应用。但初期产品质量较差，经过质量和技术攻关，产品质量得到很大提高，使用寿命达到二十年以上。九十年代杭氧引进美国S.W.公司（Stewar warner south wind corp.）大型真空钎焊炉和高压板翅式换热器制造技术，使我国板翅式换热器制造技术得到飞速发展，达到国外二十世纪九十年代水平。杭氧，开封，川空是目前我国板翅式换热器主要生产商。

国外生产板翅式换热器最高设计压力为10Mpa,外形尺寸达10000*1300*1300mm；国内生产板翅式换热器最高设计压力8.0Mpa,最大外形尺寸6000～7000*1200*1200mm。

3.1.2板翅式换热器特点

1）传热效率高。由于翅片的特殊结构，使流体在流道中形成强烈扰动，有效降低了热阻，提高了传热效率，传热系数比管壳式换热器高。

2）结构紧凑，单位面积换热面积为管壳式换热器的5倍以上，最大可达几十倍。管壳式换热器一般为150-200m2/m3。而板翅式换热器因为翅片具有扩展二次表面的特点，传热面积达到1500-2500m2/m3，最高可达4370m2/m3。

3）轻巧、牢固。换热器的翅片和隔板都很薄，且经钎焊成整体，因而重量轻、强度高，