传热原理及设备、换热器 - 图文

传热原理及设备

2 0 1 2. 0 8. 杭 州

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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

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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：

tf1 - tf2 > 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。

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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。

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三类换热器其热量传递如图3-1，3-2，3-3所示 热流１体冷流体2填料填料tf1tw２tw1tf２加热期冷却期间壁图3-1 间壁式换热器热量传递示意图 图3-2 蓄热式换热器热量传递示意图 热流体冷流体图3-3 混合式换热器热量传递示意图 2.2按结构分为二类 空分设备换热器垵结构可分为管壳式换热器和板翅式换热器二类: 1) 壳式换热器又可分为绕管式换热器（如主换热器，过冷器等）和列管式换热器（如冷凝蒸发器）。 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

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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，

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重量仅为列管式换热器的1/10。

4）适应性大，可适用多种介质热交换。在同一设备内可允许多达10多种介质之间热交换，可作气-气、气-液、液-液之间换热，亦可作冷凝和蒸发。

5）经济性好。由于结构紧凑、体积小、重量轻，大大降低了设备投资费用。 6）板翅式换热器因流道狭小，易堵塞，翅片和隔板都很薄，要求介质清洁、干净、无腐蚀性，一旦发生堵塞或腐蚀而造成串漏，维修困难。

3.1.3板翅式换热器的应用

板翅式换热器由于它优越性能和成熟的技术已在各工业部门得到越来越广泛的应用。 空气分离设备： 空分设备的主换热器、过冷器、冷凝蒸发器等低温换热器采用板翅式换热器后节省了设备投资和安装费用，降低了单位能耗。

石油化工： 板翅式换热器具有处理量大、分离效果好、能耗低等优点已被用于乙烯深冷分离、合成氨氮洗、天然气、油田气分离与液化。

工程机械： 经过20多年研究实践和生产技术提高，世界各国已在汽车、机车散热器、挖掘机油冷器、制冷机散热器、大功率变压器散热器上成批生产和使用板翅式换热器。

超导和宇宙空间技术： 随低温超导和宇宙空间技术发展，为板翅式换热器的应用提供了新的途径，美国阿波罗飞船和中国神州飞船都有应用。

3.2 结构 3.2.1基本结构

板翅式换热器结构形式很多，但单元基本结构相同，如图1、2所示。它由翅片、

隔板、封条和导流片组成。在相邻两隔板之间放置翅片、导流片和封条，组成一个通道，按设计要求对各通道进行不同叠积和适当排列，钎焊成整体，就可得到最常用的逆流、错流、错逆流板翅式换热器芯体（又称板束），在两端配置适当的流体出入口封头（或集流箱），就成一完整板翅式换热器。

隔板 主要用于介质的分隔，也是热量传递和承压主要元件，按使用压力不同，厚

度一般在0.8～2mm。

封条 在换热器周边起密封和支撑作用，高度与翅片相匹配，宽度按承受压力不同

为15～40mm。

翅片 是换热器最基本的传热元件，并有两隔板之间的支撑作用。根据介质和传热

工况的不同，翅片高度在2.5～12mm之间，厚度在0.1～0.5mm，尽管翅片很薄，因为节距

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小，翅密因而能承受较高压力。

导流片 常用于流体进出口，起流体的分配与汇集作用，是多孔型翅片中一种。但

节距较大。厚度一般为0.4～0.6mm。

侧板 也称盖板，是换热器最外侧平板，对换热器起保护作用，也便于换热器支架

的焊接，厚度通常在5～6mm。

图1板翅式换热器通道结构图 图2 典型多股流钎焊铝制板翅式换热器示意图

3.2.2 翅片的选择和形式

1) 翅片的选择

板翅式换热器的传热过程主要依靠翅片来完成，部分由隔板来完成。大部分热量经翅片通过隔板传到冷流体，並不是通过隔板直接传热的，故翅片又称“二次表面”。二次表面传热面积与总传热面积之比，最大为90%。

翅片的选择，需要根据最高工作压力、流体性能、传热特性、允许压降等因素来考虑。为了有效的发挥翅片的作用，使其具有较高的翅片效率，在给热系数大的场合，选用低而厚的翅片。相反，在给热系数小的场合，以选用高而薄的翅片为宜，以增加换热面积来弥补给热系数的不足。翅片的形状以流体的性能和实际使用的条件等来选定，对于高温流体和低温流体之间温差较大的情况，宜选用平直翅片，温差较小的情况选用锯齿翅片；若流体中如黏度较大的油等，宜选用波纹翅片或者多孔翅片以增强扰动；如在流体中含有固体悬浮物时，选用平直翅片；如在传热过程中有相变化的冷凝、蒸发等情况，宜选用多孔翅片。 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、锯齿翅片和波纹翅片四种形式。每种形式翅片因高度和节距不同，又可分为多种规格。翅片形式如图3所示。

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平直翅片 有很长的带光滑壁面的长方形翅片，其传热特性和流体流动特性与流体

在圆形管道中的传热和流动特性相似，翅片的主要作用是扩大传热面。

锯齿翅片 翅片相隔一定距离屡次被切断并使之向流道突出，促进了流体湍动和破

坏热阻边界层，从而强化传热过程，使之传热效率提高。锯齿翅片与平直翅片比较，在压力降相同条件下，放热系数提高了30%以上，被称为“高效翅片”。

多孔翅片 在平直翅片上冲出许多孔洞而成的。翅片上孔洞使热阻边界层不断发生

断裂，以提高传热性能，也有利于流体再分配，常用于流体的进出口分配段和流体有相变（冷凝、蒸发）场合。多孔翅片开孔率一般在5-10%之间，孔的排列有正三角形、长方形和平行四边形三种，孔径与孔距无一定关系。

波纹翅片 光直翅片上冲压成一定的波形（如人字形），使流体在弯曲流道中不断

改变流动方向，以促进流体的湍动，分离和破环传热边界层，波纹越密，波幅愈大其传热性能愈好。

波纹型翅片 多孔型翅片

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平直翅片 锯齿翅片

3.2.3 翅片参数

翅 型 翅片高度 H mm 翅片厚度 t mm 翅片节距 P mm 当量直径 De mm 通道截面积 fi m2 传热面积 Fi m2 二次表面与总面积之比 F2 / Fi P、D J J D J J J J、D、B J、D、B B D、B D D J J J、B J、D D D J、B 3.0 3.8 4.7 5.0 5.0 5.0 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 12.0 0.2 0.2 0.3 0.2 0.2 0.3 0.15 0.2 0.2 0.25 0.5 0.5 0.6 0.15 0.20 0.20 0.20 0.20 0.60 0.15 1.5 1.4 2.0 1.0 1.4 2.0 1.0 1.4 1.7 1.7 1.5 2.5 4.2 1.0 1.2 1.4 1.7 2.0 4.2 1.5 1.78 1.80 2.45 1.37 1.92 2.50 1.50 2.01 2.41 2.34 1.71 2.98 4.43 1.56 1.80 2.12 2.58 3.02 5.13 2.42 0.00243 0.00308 0.00374 0.00384 0.00411 0.0040 0.00527 0.00527 0.00543 0.0052 0.0039 0.00468 0.00493 0.0079 0.00775 0.00797 0.0052 0.00837 0.00763 0.0107 5.46 6.85 6.10 11.20 8.57 6.40 14.10 9.50 9.00 8.88 9.13 6.28 4.45 20.40 17.20 15.00 12.70 11.10 5.95 17.60 0.683 0.75 0.721 0.857 0.800 0.734 0.879 0.820 0.804 0.809 0.854 0.745 0.616 0.917 0.903 0.886 0.861 0.838 0.713 0.898 10

P、D 1）

12.0 0.25 2.0 2

3.05 0.0103 13.50 0.870 x?y?W，指有效宽度为1米，一层通道的截面积m

P2?x?y??W?L2） Fi?，指有效宽度为1米，有效长度为1米，一层通道传的传热面积m

Pfi?其中：一次传热面F12

?xy?Fi 二次传热面积F2??Fix?yx?y

3） De?4x?y 当量直径

2?x?y?4） 翅内距

x?P?t；翅内高y?H?t；通道有效宽度W；通道有效长度L m

翅片型式：P－平直型；D－多孔型；J－锯齿型；B－波纹型。

3.2.4 整体结构

1)流体流向与传热温差 (1)流体流向

板翅式换热器按不同的操作条件。可将流体布置成顺流、逆流、错流和混合流等形式。混合流如图4所示。

图4 混合流流体布置

两流体平行同向流动称顺流，顺流时冷流体出口温度总是低于热流体出口温度，所以平均温差最小。两流体平行逆向流动称为逆流，逆流时冷流体的出口温度可以高于热流体的进口温度，在冷、热流体的性质、流量、进口温度及换热面积都相同的条件下，逆流布置时冷热流体间具有最大的平均温差。而且逆流时，流体的速度能较好的与传热效能相结合，使换热器的结构较紧凑合理。两流体垂直交叉流动称错流，错流平均温差可看作逆流时平均温差的基础上，给与小于1的修正，所以错流的平均温差介于顺流和逆流之间。混合流是一部分流体呈逆流，一部分流体成错流，采用这种布置形式最大优点是多种流体能同时进行热交换，

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合理分配传热面积，使设备布置更加紧凑。因而混合流布置特别适用于多股流换热中流体布置。

因此，换热器在一般情况下均采用逆流布置，由于结构或其他因素而无法采用逆流时应尽量采用错流或混合流，避免采用单纯的顺流。 （2）传热温差

换热器平均传热温差与流体的温度变化规律和流体流向有关。计算流体的平均传热温差有三种方法。

?算术平均温差 若把冷、热流体沿着换热面的温度变化认为是线性关系，则算术平均温差就是两端温差的算术平均值

?算??t'??t\ 2由于实际温度变化并非是直线关系，因此算术平均温差是近似的，一般在低温换热器中很少采用。

?对数平均温差 当冷、热流体的比热容、流量和传热系数在换热过程种基本不变时，流体温度沿换热面是按指数规律变化，采用对数平均温差计算

?t对??t'??t\ ?t'ln?t\??式中： ?t'——流体两端温差中较大者； ?t\——流体两端温差中较小者。

错流和混合流的对数平均温差，可在逆流对数平均温差的基础上给予修正，即

?t错流或混合流＝?t逆??t

式中： ?t逆——将错流或混合流换热器看做纯逆流布置时，计算得到的对数平均温差；

??t——考虑到错流或混合流时，实际温差要小于?t逆，引入一个小于1的修正

系数，可查机械工程手册热工篇。

当?t'?t\?2时，对数平均温差与算术平均温差两者差不到4％。

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?积分平均温差（MTD） 在相变或超临界状态时，比热容变化剧烈，此时流体平均温差若按对数平均温差计算，误差较大，此时应采用积分平均温差计算。积分平均温差反映了换热器真实的平均温差，所以比较精确。

积分平均温差计算方法如下：

? 作出冷、热流体的温度—热焓图（T—Q图）；

? 把曲线分成数个区间，使每个区间内曲线近似为直线； ? 分别计算每个区间的对数平均温差； ? 加权计算MTD

MTD??QQ?MTD

分段越多，温差计算越精确。 2) 导流片布置

导流片一般布置在换热器流体进出口两端、把流体均匀分配到换热翅片的流道或将流体汇集于封头中。导流片是多孔翅片的一种，通常它节距较大、厚度较厚，她还起保护换热器翅片在制造时免受损坏的作用。

图6是几种典型的导流片布置形式，根据操作条件和特殊布置要求，也可采用其它布置形式。

图6 导流片类型

3)换热器组合

板翅式换热器在制造时其截面和长度都受到工艺装备的限制（如钎焊炉等），所以在大

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型设备中换热器往往需要通过多个单元的串联和并联加以组合。多个单元组合时，很重要的一个问题就是要使流体在各个单元中能够均匀分配，减小和防止偏流。 在大容量热交换时，单元体多数是并列的，由于流体的分配和汇合的压力损失及摩擦损失，在单元体并列方向产生压力梯度，致使单元体流量不均匀，集合器的设计，应考虑单元体的压力损失。一般应控制流量不均匀在一定的许可范围内（如,≤5%）。所以集合器设计时，集合器的总面积应大于各单元的进口管面积的总和，从而减少流体分配不均匀现象。

单元组合基本上有三种组合方式，对称型、对流型和并流型。如图7所示。从流体均布观点出发，应尽量采用对称型，避免并流型。同时由于各单元的流体阻力有可能不一样，组合时应注意阻力的匹配，工艺管道的布置也需注意这

4. 设计计算

4.1 热量传递三种基本方式及其组合

热量传递的过程往往是传导、对流和辐射三种方式的组合。最常见的是冷流体和热流体被壁面隔开，热量从热流体穿过壁面传递给冷流体，这个过程称为热量传递。例如各种管式和板翅式换热器。

4.1.1 热传导和热导率

热传导是物体内部分子和原子的微观运动所引起的一种热量转移方式。金属是自由电子运动；非金属和液体是原子或分子平衡位置振动；气体是分子不规则碰撞。所以，热传导在固体、液体和气体中都能发生。

平壁热传导计算为：

??F???(tw1?tw2)?F??t/ W ?? λ——热导率（又称导热系数 W/m·℃）

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量称为热流密q。热流密度表达式为:

q??F??t?? W/m2 ? 从式可以看出,温差Δt愈大，的热量也愈大传导。δ/λ愈大，热流密度就愈小，它

表明了阻碍热传导阻力的大小。

用热阻概念分析判断传热过程的强弱极为有用。为了增强热传导，就应该使热阻减小，这时可选用薄壁和热导率大的材料。相反，要求保温的场合，为削弱传热，就要增大热阻，选用厚壁和热导率小的材料。

1)热导率

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一般地说，热导率的数值以金属最大，液体次之，气体最小。常用材料的热导率见表

3-1。

2)绝热材料

热导率较小的固体材料有良好的绝热效果，把在常温下热导率小于0.23 W/m?℃的材料称为绝热材料。但当含有水分时，热导率会显著增大，所以空分设备冷箱中绝热材料应保持干燥。常用绝热材料有珠光砂（膨胀珍珠岩）、碳酸镁、玻璃棉等。

表3-1 常用材料的热导率 热导率λ 材料名称 [W/（m·℃）] 铜 铝 钢 不锈钢 木材 红砖 383 204 约47 29 0.12 0.23～0.58 矿渣棉 玻璃棉 珠光砂 碳酸镁 水 空气 材料名称 [W/（m·℃）] 0.04～0.046 0.037 0.035 0.026～0.038 约0.58 0.023 热导率λ 4.1.2对流放热和放热系数

流动着流体和与它直接接触的壁面间热量传递称为对流放热。对流放热只可能发生在气体和液体中。

对流放热计算式为

????F?(tf1?tw1)???F??t W

用热流密度来表示对流放热

q??F??t W/m2 1/??为对流放热系数（W/m2·℃），它表示放热过程强弱，它与流体物性、流动状态、换

热面积和传热温差有关。

1）对流放热形式

对流放热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。受迫对流放热是在泵、压缩机等外力作用下，造成流体流动，又称强制对流。自然对流是由于流体各部分温度不同（密度不同）而引起的流体流动。

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有相变对流放热又分为沸腾放热和冷凝放热。

工业上使用的换热器中流体的放热，绝大部分属于受迫对流放热。 2)放热系数

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，受迫对流放热比自然对流强烈。有相变的对流放热系数比无相变的对流放热系数大。

对流放热系数通常都是根据实验确定，放热系数大致范围见表3-2。

表3-2 常见放热系数经验数据 放热系数α 放热性质 水蒸气冷凝 氮的冷凝 氧的沸腾 水的加热或冷却 [W/（m·℃）] 4600～17400 2000～2300 1400～2100 600～930 水的沸腾 油的加热或冷却 空气的加热或冷却 2放热系数α 放热性质 [W/（m2·℃）] 600～52300 60～1750 10～115 4.1.3 辐射

当一物体的热能先转化为辐射能，以电磁波形式传播给另一物体，另一物体吸收了部分辐射

能，并转化热能，两个温度不等的物体以这种方式的热量传递过程称辐射。电磁波的传播不需要中间介质，因而辐射换热是真空中唯一的热传递方式。

辐射换热的计算式为

TT ????F??[Co(1)4?Co(2)4] W

100100ε 系统黑度；C0 黑体辐射系数；φ 角系数; 具体计算参见机械工程手册热工篇。

空分设备中流体与设备壁面的温度均较低，温差很小，辐射不是主要的传热方式，一般不加考虑。只有在低温液体贮运设备（贮槽，输液管等）才必须加以详细计算。

4.1.4．多种传热方式组合

热量传递以热传导、对流放热、辐射三种方式进行。在工程上，热量传递通常不是以单一形式存在，而往往是二种或三种方式的组合。现以空分设备为例来说明。

（1）

主换热器

空气 对流 壁面1 热传导 壁面2 对流 氧气（或氮气） （2）

冷凝蒸发器

气氮 冷凝 壁面1 热传导 壁面2 沸腾 液氧

16

（3） 贮槽

外界大气 自然对流 外壳外壁 热传导 外壳内壁 辐射 内胆外壁 热传导 内胆内壁 自然对流 液氧（或液氮）

4.2 传热设计 4.2.1 传热过程分析

板翅式换热器属间壁式换热器，主要特点是具有扩展的二次表面，所以传热过程不仅在一次传热面（隔板），而且也同时在二次传热面（翅片）进行。二次传热面的传热过程是沿翅片高度方向进行的，一方面沿翅片通过热传导不断导入热量，另一方面通过翅片表面和流体对流放热，把热量传给冷流体。由于翅片高度大大超过翅片厚度，所以翅片导热类似于长杆导热，翅片表面平均温度tm低于翅片根部温度tw（隔板表面温度）。翅片表面温度分布曲线如图10所示：

图10 翅片表面温度分布示意图

通过一次表面传热量以Q1表示：

Q1???F1??tw?tf? (1)

通过二次表面传热量以Q2表示：

Q2???F2??tm?tf? (2)

由于二次表面传热温差tm?tf小于以一次表面传热温差tw?tf，在传热上为便于处理，把二次表面传热温差看作和一次表面传热温差相等，都为(tw?tf)，但二次表面的传热面积应打一折扣，以翅片效率?f表示：

????Q2???F2??f??tm?tf? (3)

??F2??tm?tf????F2??f??tw?tf? ?f?tm?tftw?tf (4)

翅片效率的物理意义是二次表面的实际传热温差和一次表面传热温差的比值。 翅片效率根据长杆导热机理以双曲正切函数表达为：

17

?f?tm?tftw?tf?th(ml) （5） ml式中： m——翅片参数，1/m；

m?

l——翅片定性尺寸（二次表面热传导最大距离）， m； 单迭布置（冷、热间隔）l?H/2；

复迭布置（冷：热＝2：1） l?H、（冷：热＝3：1） l?1.5H；

2

?——流体放热系数， W/(m·K)；

?——翅片材料导热系数，W/(m·K)； t——翅片厚度， m。

板翅式换热器传热过程是一次表面和二次表面同时进行的，总传热量是两者之和。

2??t

Q?Q1?Q2???F1??tw?tf????F2??f??tw?tf? （6）

以总传热面积F0?F1?F2和综合表面效率?0来表示：

??F0??0??tw?tf????F1??tw?tf????F2??f??tw?tf? (7)

F0?0?F1?F2?f

?0?F1?F2?fF0??F1?F2??F2?F2?fF0?1?F2?1??f? （8） F0表面效率的物理意义是，把二次传热面和一次传热面等同看待（总的传热面就等于一、二次传热面之和），而传热温差都等于一次传热面的传热温差tw?tf时对总传热面积所打的折扣，所以表面效率?0总是小于1。由于F2F0总是小于1，表面效率?0总是大于翅片效率?f。同理，翅片效率越高，则表面效率就越大。

板翅式换热器传热方程：

热流体

??Q??1F01?01?tf1?tw1? （9）

冷流体

Q??2F02?02?tf2?tw2? （10）

板翅式换热器传热方程与一般换热器方程的差别，仅仅在于考虑了表面效率?0。

4.2.2 传热方程

板翅式换热器的传热过程是一个稳定传热过程，每个环节传递的热量是相等的，且设定没有热量损失。

热流体对壁面的对流放热量：

18

Q1??1F01?01?tf1?tw1??tf1?tw1 （11） 1?1?01F01壁面的导热量：

Q?F?tw2 （12） ?tw1?tw2??tw1?1??F?tw2?tf2?tf2?? （13）

1?2?02F02壁面对冷流体的对流放热量：

Q2??2F02?02?tw2因板翅式换热器隔板很薄，导热系数又大，热阻很小可忽略，则壁面两侧温度几乎相等，即tw1?tw2，所以：

Q?Q1?Q2 Q??t?tw1???tw2?tf2?tf1?tf2tf1?tf2??

11????111F0111F021?????????????1?01F01?2?02F02F01??1?01?2?02F02?F02??1?01F01?2?02??f1（14）

即

Q?K1?F01??tf1?tf2??K2?F02??tf1?tf2? （15）

得热流体传热系数K1和冷流体传热系数K2:

K1?1F??01?1?01?2?02F0211 (16)

K2?1 (17)

1F021???1?01F01?2?02则板翅式换热器传热面积:

F?Q （18）

K??tm式中： ?tm ——流体平均传热温差， K 单元理论长度：

19

Li?F （19）

n?Fi?w式中： n——流体通道数 w——通道有效宽度

Fi——指宽度为1米，有效长度为1米时一层通道的传热面积； 实际有效长度

L??1.1~1.15?Li

为保证流体在通道内均匀分配，在板束的进出口均需设置一定长度导流片后，为板翅式换热器的最终实际长度。

在板翅式换热器设计中，一般以局部热负荷平衡偏差、允许阻力值、通道计算长度偏差为主要控制指标，进行通道分配和排列，应注意到各股流体通道的传热计算长度应基本接近，使换热器设计更趋合理，有一个最小外形尺寸。尤其对流体间温差小，温降大的低温换热器更为重要。

4.3 放热系数确定

4.3.1 无相变对流放热系数

板翅式换热器放热系数是通过试验研究，最后整理为传热因子j、摩擦因子f与雷诺数Re的试验曲线来表达。每个公司因其翅片型式，翅片参数不同和加工工艺差异，对某一种翅片都有一组相应的翅片性能曲线。 传热因子：j?St?Pr23

JPr23放热系数：??St?G?Cp??G?Cp

式中： Pr 普朗特数，Pr?Cp???

St 斯坦登数，

Re 雷诺数， Re?G?de?

G 质量流速， G?V??

fi?n?wV 体积流量， m3/s ρ 流体密度， Kg/m3 Cp 比热容， J/Kg·K μ 粘度， N·s/m2 λ 导热系数, w/m·k

传热因子j、摩擦因子f与雷诺数Re的关系，如图11所示

20

图11 j、f与Re之间的关系

4.3.2 相变时放热系数 1) 冷凝蒸发器的型式

空分设备上冷凝蒸发器是产生相变的热交换设备。它借助于从上塔下流的液氧蒸发来冷凝由下塔上升的气氮，产生气氧和液氮。除部分作产品外，主要保证上、下塔精馏过程的正常进行。

冷凝蒸发器（又称主冷凝器）有列管式、盘管式和板翅式三种结构形式。列管式又有短管式和长管式两种类型。短管式冷凝蒸发器，管长一般在1～1.2米以下，它液氧在管间沸腾，气氮在管内冷凝，设置在上、下塔之间，结构紧凑，传热系数在500～550 W/m·℃左右，适用于中小型空分设备；而长管式冷凝蒸发器，管长高达成2.5～3.6米，因而不便于设置在上、下塔中间，一般都做成单独设备用管道和上、下塔连接，传热系数在600～650 W/m·℃左右，它通常用于大型空分设备。

盘管式冷凝蒸发器是日本日立公司专利，在我国引进的150m/h，3200 m/h和6500 m/h空分设备上都有应用。由于它结构特点，管内液氧形成了两相流动，有较大放热系数，但这种结构制造工艺复杂。

21

3

3

3

2

2

板翅式冷凝蒸发器既类似于长管式冷凝蒸发器的液氧在管内蒸发，有较大的传热系数。又似短管式冷凝蒸发器它可置于上、下塔中间有结构紧凑的特点。由于板翅式换热器制造技术已很成熟，所以它已被广泛用于大、中、小型空分设备的主凝蒸发器，成为主冷凝器最常用的一种结构形式。

2) 液氧在管内沸腾特征

液氧在竖直管内沸腾情况，如图3-5所示。板翅式冷凝蒸发器液氧蒸发类似于管内沸腾。根据传热情况不同，整个过程分预热区、沸腾区和饱和蒸汽区三个区域。细分可分为六个区段。

预热区1，液氧被加热到饱和温度。

始沸段2，液氧在饱和温度下管壁处生成小汽泡上升，开始沸腾。

气化段3，管内充满汽泡并形成均匀的汽液混合物，小汽泡在上升过程中不断被液氧补充，并吸收热量而长大。

活塞段4，小汽泡汇合成大汽泡，大汽泡上升运动类似活塞在汽缸中的运动。 膜状流动段5，由汽液两相形成的“大活塞”，以很高速度把液氧挤在管壁上，使之形成薄膜状流动。薄膜状流动大大提高了沸腾放热系数，因而放热系数为整个竖管最大区段。

饱和蒸汽区6, 液膜被蒸发成干蒸汽, 管內也全部成为气体, 故放热系数大大降低, 也是整个竖管放热系数最小区段。

综上所述，液氧在管内沸腾放热的流体动综上所述，液氧在管内沸腾放热的流体动学特征，是在沸腾壁面上形成一层迅速流动的以高强度进行放热的薄膜液层，使之有较大的放热系数。

22

单相流动过热蒸汽强制对流湿蒸汽强制对流冷凝液膜层流N2）饱和蒸汽区ts膜状流动段tw活塞段沸（或始沸区汽化区腾N2）紊流δ区过冷液体强制对流换热方式cp图3-5 液氧在竖管内沸腾示意图 图3-6 膜状冷凝过程 在设计和操作中，应使预热区和饱和蒸汽区减小，使活塞段和膜状流动段大些，从而使平均放热系数?CP增大。 沸腾放热试验表明： （1）L/?一定，热流密度q增大，?亦随之增大。 （2）q一定，L/?增大，?增大。 （3）q、L/?一定，当视观液面过低（h＜0.2），上部饱和蒸汽区过长，壁面没有被液氧冲刷和复盖，传热不好；而且液面太低，易造成乙炔和碳氢化合物局部浓缩和析出，很不安全。当视观液面过高（h＞0.7）,预热区增长，沸腾区缩短，使氧气带液，沸腾放热减弱；而且液面过高，静液柱增大，液氧沸腾温度升高，导致传热温差减小或下塔压力升高，能耗增加。一般取h=0.8，对运行有利。

3) 气氮平壁冷凝

气氮在管外冷凝，形成液膜下流，液膜自上而下不断加厚，整个壁面被液膜完整复盖，液膜是冷凝放热必须克服热阻。膜状冷凝过程如图3-6所示。

冷凝放热特征是：

? 气氮冷凝放出热量，必须穿过液膜才能传到壁面使液氧蒸发

? 冷凝放热与液膜厚薄有关，液膜厚度与其流向和流动形态有关。壁面顶部液膜薄呈

层流，下部液膜平厚紊乱。

预热区流动结构23

? 在冷凝气氮中，有氖氦等不凝性气体存在，在壁面上形成不凝性气膜，使热阻增加，

放热系数减小。

冷凝蒸发器传热温差很小，由于?冷凝??沸腾，主要热阻在沸腾侧，同时应及时排放凝液和氖氦等不凝性气体。

应指出的是：当气体流动与下流液膜同向时，使液膜易于下流，有利于放热；当气流与下流液膜逆向时，有碍于液膜下流，使液膜增厚，不利于放热。

4.3.3 两相流换热器传热计算

有关板翅式换热器两相流放热系数的计算比较复杂，1991年杭州制氧机股份有限公司引进美国S·W公司大型真空钎焊炉同时引进了相关的计算软件，在流体相变时放热系数可依据不同工况分别计算冷凝、蒸发和有冷凝蒸发及显热交换的放热系数，见图12，详细计算参考文献【3】

单相流强制 对流放热系强制对流 沸腾放热系数 Nusselt方程 得冷凝放热系数 冷凝液体体积百分数 <10％ 显热容CP法 冷凝放热系数 >10％ Carpenter- Colburn法 冷凝放热系数 Gloyer法有冷凝蒸发和显热 交换的加权放热系数 选用合适的放热系数 放热系数

图为相变换热系数

4.4 多股流传热计算

24

全低压空分流程主换热器和乙烯冷箱深冷分离烯烃碳氢换热器中，都有多股流体进行换热（乙烯冷箱单台换热器流体最多达12股），并伴有流体两相流换热（冷凝和蒸发）。多股流换热器设计计算是把多股流转化成两股流进行设计。

（1）把几股正流体（热流体）和几股返流体（冷流体）分别拟合成一股相当的正流体和一股相当的返流体，这样就把多股流换热转化为两股流换热。

（2）按热负荷把热流体分成多股，分别与相应的每股冷流体换热，把多股流换热转化成两股流换热。

（3）以流体进出口和流体的露点、泡点为界划分为若干段。逐段求出每段传热面积，然后迭加得到每股流体所需的传热面积，以传热面积最大一股流体作为换热器长度的设计基准。

设计中应尽量使换热器内各股流体的换热长度基本相同，并校核各股流体的压力降均应在允许范围内，否则应通过调整通道数，翅片型式或几何参数等，经过反复计算，最终确定换热器结构参数和几何尺寸。

板翅式换热器传热计算采用HTFS软件和美国S－W公司引进的传热计算软件以及自主开发的传热计算软件。杭氧传热计算主要应用自主开发软件，并用其他计算软件进行校核和分析比较。

多股流换热器物流示意图和T-Q图如图所示。

3股流换热器物流示意图和T-Q图

25

5股流换热器物流示意图和T-Q图

多股流换热器设计计算机程序框图，如图所示。

26

多股流板翅式换热器设计计算机程序框图

27

4.5 阻力计算

对于板翅式换热器，一般在换热器板束的进口会有流动的收缩现象和在板束出口会有流动的膨胀现象。突然收缩和膨胀，这样产生了附加的气流压力损失。设计中压力损失是包括进口和出口损失在内总的板束压力损失，所以必须计算这些附加损失。W.M.Kays在这方面作了分析和试验研究，并得出板束进口和出口压力损失系数Kc和Ke的图表用于换热器的设计。

换热器总的压力损失：

?P??P入口＋?P芯体＋?P出口

＝G2?2???Kc?1??2??2????1??4f?L?1?2??1?1????1?2??De???1???Kem??2?式中： ?Kc?1??2? 进口对阻力影响

2????1??1??? 加速度对阻力影响

?2? 4?f?L?1De?? 芯体本身的阻力 2 ?1??2?Ke??1? 出口对阻力影响 2 ?1，?2，?m 流体进口、出口和平均密度 ? 有效自由流动面积与流体迎面面积之比， ??x?y?np?h??n

n，?n 某股流体通道数与板束通道总数 f 摩擦因子

Kc,Ke 进口和出口的压力损失系数，是?、Re的函数。见图16。 28

具有突然收缩的进口和突然膨胀的出口的由方截面通道构成的热交器芯子的进出口压力损失系数

4.6 空分中常用传热系数

杭州制氧机股份有限公司在1978年引进德国林德公司（Linde co.）大型空分设备技术时，林德公司根椐长期实际运行经验，介绍了空分设备冷凝蒸发器设计中传热系数的选取。在空分设备中，主冷凝蒸器、粗氩冷凝器传热系数为535Kcal/㎡.h.℃,纯氩蒸发器传热系数为～400Kcal/㎡.h.℃,纯氩器冷凝器传热系数为300Kcal/㎡.h.℃，液空、液氧沸腾放热系数为1250Kcal/m2.h.℃，气氮、粗氩冷凝放热系数为935 Kcal/m2·h.℃。

5. 结构设计与強度计算

5.1结构设计 板翅式换热器所有内部构件均通过钎焊结合在一起，当换热器被同时引入不同温度的几股流体时，会使其构件因热胀冷缩而产生内部热应力。热应力必须处于所有材料允许范围内，否则必须改变流程条件或改变换热器的设计结构，以减小温差应力和热应力，所以在结构设计时应予特别注意。

1、一般在稳定状态下，典型的板翅式换热器不同流体之间的最大许可温差为50℃左右，在两相流、瞬变或循环变化等较为苛刻工况条件下，温差应小些，一般为20～30℃。

2、冷热流体各个通道应尽可能相互隔离，使各通道的热负荷在尽可能小的范围内达到平衡，以避免或减少温度交叉和热量内耗。

3、为增强传热，应使各流体放热系数接近。当两侧放热系数相差较大时，除选择不同翅片外，还可增加放热系数较小一侧的通道数量，即复迭布置。

29

4、换热器并联组合时，为使流体均布，应使同一股流体的各个单元阻力基本相同。 5、当有两股流体需要定期切换时，为避免气流脉动和工况不稳定，两切换流体的通道数应该相等且应相互毗邻。

6、为便于制造和安装，通道排列原则上应对称布置。

7、换热器工作压力较高和单元尺寸较大时，从强度，传热和制造工艺等要求出发，压力较高，温度较低的流体应布置在内侧，并考虑设计工艺层。

8、换热器一般都应配有支架和合适的起吊装置。支架设计除应能承受其自重外，还必须考虑外部载荷，并留有设计余量。

若板翅式换热器是压力容器，其机械设计必须遵循压力容器规范。

5.2強度计算

板翅式换热器的封头、接管和法兰可采用ASME规范进行强度计算。但板束钎焊缝的检查受到产品结构限制，不可能进行无损检测和其他检查，也无法作完整的强度计算，是通过试件的爆破试验来确定翅片最大允许工作压力。

美国锅炉与压力容器规范（ASME）第Ⅷ卷第一册压力容器建造规则UG-101规定，凡容器或容器部件的强度难以准确计算时，其最大许用工作压力可采用与产品几何形状相似试件的爆破压力来确定。

该验证试验的几何形状相似件，应复盖全部尺寸，压力或其他变数的范围，即翅片规格、封条规格、隔板厚度、设计形状与结构形式与产品完全一致的一个有代表性的小尺寸试件。要求试件的爆破压力（翅片强度）应是最大许用工作压力4倍以上，且以翅片母材拉伸断裂为合格。翅片的最大许用工作压力按下式确定：

最大许用工作压力＝爆破试验压力?室温下翅片拉伸强度额定值4?翅片拉伸强度实测值

钎焊铝制板翅式换热器制造商协会标准(ALPEMA)规定，试件爆破压力应是翅片允许的最

大设计压力的4～6倍。

NB/T47006-2009《铝制板翅式换热器》对翅片爆破试验试件的强度和几何尺寸都有明确规定，要求试件的爆破压力应不小于设计压力的5倍，且以翅片母材拉断为合格。

6. 板翅式换热器制造工艺

板翅式换热器的生产过程，大致按如下流水作业：零件成形→清洗→组装→钎焊→总装（焊接封头、接管、支架等）→检查和试验→包装和成品出厂。真空钎焊制造板翅式换热器的工艺流程见图。

钎焊是板翅式换热器整个生产过桯最重要的工序，正确选择钎焊方法是制造高质量换热器的关键。盐浴浸渍钎焊和无熔剂真空钎焊是两种最重要的钎焊方法，由于无熔剂真空钎焊具有无可比拟的优点和生产技术成熟，从20世纪80年代后期起，世界各国先后釆用无熔剂真空钎焊取代盐浴浸渍钎焊，该工艺被认为是板翅式换热器生产技术重大的技术进歩。

1991年杭氧股份有限公司引进美国S.W公司(South Wind Divslon of Stewart Warner Corp.) 大型真空钎焊炉及其生产技术。通过引进技术消化和吸收，国内有关单位先后研制成功大型真空钎焊炉，使板翅式换热器真空幷钎焊技术在我国得到很快的发展。

30

真空钎焊制造板翅式换热器工艺流程

7. 检查试验与修补，存放

7.1. 检查试验

板翅式换热器的检查和试验，主要分零部件质量检查和成品的性能检查。零部件质量检查主要是翅片几何形状和尺寸精度的检查。成品性能检查，主要是钎焊质量的外观检查和技术性能的试验。外观检查钎焊后板束尺寸是否在规定容许范围内、板束钎焊接头有无钎料堆积、熔蚀及变形等缺陷。技术性能检查有清洁度试验、无损探伤检查、耐压及致密性试验，最终干燥度检查。对于多个单元串联或并联组合的换热器的流体流动性能试验和介质为易燃易爆、对致密性有特殊要求的换热器，此标准对通道阻力偏差允许值和真空检漏、氦质谱检漏漏率的规定与日本等国国际标准等同。标准对产品质量的控制，包含了原材料、设计、制造、性能检测、装运、储存等全过程，通过这一系列检查和试验来保证和提高换热器的质量。

7.2 修补存放

板翅式换热器由设计或制造产生的缺陷或由操作不当所引起的泄漏，通常都只局限在某些局部地方，因而也易于修补。当损坏发生在换热器外表面或封条附近位置钎焊面时，生产厂通常采用氩弧焊来进行修补，质量较有保证。但在没有条件或不能进行焊接修补的情况下，可采用聚氨脂粘接剂修补。上海合成树脂研究所研制的DW型聚脂低温粘接剂具有较高的机械强度和较好的低温性能，已在各工业部门得到广泛应用。但必须要注意的是，为了取得良好的效果，达到胶粘不漏，粘接处表面的预处理十分重要。

31

发生在板束内部深处隔板裂纹或融蚀产生泄漏，修补困难，可采用堵塞通道来处理。堵塞通道数在总数的5％～10％以内是设计所允许的。但必须注意，若换热介质相变时，则应在相邻两通道上打若干孔相通，以防止发生液体气化而压力升高的爆炸事故。此修补方法在空分设备冷凝蒸发器和化工设备热虹吸蒸发器上用得较为普遍。当发生严重泄漏，修补十分困难或已无法满足设计要求时，可调换整个单元办法。为了提高设备互换性，换热器单元的标准化和系列化是设计中一个重要方面。

对需存放的换热器和备件，应存放在干燥通风和无污染的地方，因设备多数在低温下使用，因此必须严格防止水份和炔烃进入，存放期间必须在热交换器各通道有不低于20Kpa干燥氮气的氮封压力，以保证使用安全使用，否则会因温度变化而冰冻胀裂以及炔烃在内部积聚而发生爆炸。

在安装现场一般存放时间较短而贮于室外时，存放地应平整，换热器可置于枕木上，便于排水；上部应有适当遮盖，有效防尘防水。当存放时间较长，如换热器备件等，则应贮于室内，要求周围环境干燥、通风、无腐蚀性气体，还应定期检查氮封压力、并补充干燥氮气。如换热器在含有盐分的水雾或含盐大气环境中（如海岛、沿海地区或海上运输等）则必须采取特殊的保护措施。

8. 空分设备典型板翅式换热器介绍

8.1主换热器

空分设备中的主换热器，是用来实现空气、增压空气与氧气、氮气和污氮气等返流气体之间的热交换，空气由常温冷却至100K左右，增压空气由常温冷却至膨胀机前温度，氧气、氮气、污氮气等返流气体由低温复热至常温。

6000m3/h空分设备旳主换热器如图所示。它由3个板朿单元并联组成。每个单元芯体尺寸为5600*1150*～1189mm，换热采用9.5mm*1.4mm*0.2mm锯齿型形翅片，通道排列为1:2复迭逆流布置，即一层空气通道对两层返流气通道。其流动方式为空气经总管、支管分配给并联的每个单元的进口封头，再经封头分配至各通道；而各通道出口气体先汇集于各单元出口封头，经管、总管汇集至出口管。

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图3-19 6000m3/h空分设备主换热器组 8.2主冷凝蒸发器 主冷凝蒸发器的作用是使下塔顶部上升氮气冷凝，上塔下流的液氧蒸发，作为下塔的回流液和上塔的上升蒸汽。6000㎡/h空分设备主冷凝蒸发器的结构如图所示。它由4个板式单元组成，呈星形布置，单元芯体尺寸为1800mm*750mm*～883mm。每个单元芯体有117层通通，其中59层为液氧蒸发通道，上下两端敞升，采用6.35mm*1.7mm*0.2mm多孔型翅片；58层为气氮冷凝通通，采用6.35mm*1.4mm*0.2mm多孔型翅片。气氮由下塔顶部经中心管和板式封头进入板式氮气通道与相鄰通道蒸发的液氧进行换热，被冷凝的液氮由下封头导入集液室，作为下塔回流液或作为产品由出口管导出；蒸发的液氧蒸汽部分可作为产品引出，另部分为上塔的上升蒸汽。由于液氧中可能含有乙炔和碳氢化合物，自法液空在马来西亚空分发生爆炸后，从空分操作安全性考虑，除主泠板式单元采用全浸操作并在液氧蒸发侧采用较大的翅片节距（法液空曾建议节距2.0mm的多孔翅片）。

33

图3-20 6000m3/h空分设设备冷凝蒸发器 8.3过冷器

过冷器是用氮气、污氮气对液空、液氮过冷的换热设备。通过对液空液氮的过冷以减小汽化率，增加上塔回流夜，改善精馏工况。过冷器为逆流劝置通道排列为复迭，即一层液体流道对两层气体流道，液体通道采用5.0mm*2.0mm**0.3mm锯翅型翅片, 气体通道釆用9.5mm*1.7mm*0.2mm锯齿型翅片

34

图3-21 1800m3/h空分设备过冷器 9.谈几点工作中体会

1） 板翅式换热器阻力

板翅式换热器阻力直接与空分装置能耗相关联，而阻力又与传热性能相联系。

板翅式换热器设计在完成传热计算后还应进行阻力校核，流动阻力主要指低压返流气，设计中一般以1.5倍换热器设计计算阻力小于流程给定值。增加的50%主要是考虑制造过程中不可预计影响因素（如另件精度，装配间隙，通道堵塞及其修补情况等制造缺陷）。若阻力过大超过给定值，会产生压缩机排压升高，能耗增加，应考虑改变翅片规格或增加通道数（增大流通截面）；如阻力太小，说明流速很慢流体没有达到紊流，传热效果差，给定阻力值没有得到充分利用，应考虑改变翅片规格或减少通道数（减小流通截面）。在改变上述参数后重新进行计算直到满意为止。所以，设计一台好的换热器需要进行多次重复计算。 2) 冷凝蒸发器液面控制

冷凝蒸发器液面控制不仅影响装置能耗也直接影响运行旳安全性。因液氧蒸发温度是以液面顶部和底部温度的平均值计, 如液面过高液氧底部温度升高则液氧蒸发平均温度就升高；若氮旳冷凝温度不变, 则冷凝蒸发器传热温差就减小。 要保持传热温差不变,氮的冷凝温度必须升高,那未就要提高下塔压力,压缩机排压就要提高,能耗也就相应增加。如液面偏低, 冷凝器上部出现干蒸汔區过长,传热面沒有被液氧冲刷和复盖,传热面没有充分利用,换热效率下降,而且易造成乙炔和碳氢化合物浓缩析出,有爆炸危险，影响装置旳安全运行。根椐冷凝蒸器氧通道多次发生爆炸事故分析和长期实际运行经验, 從安全性考虑提出了板翅式冷凝蒸发器全浸操作的理念。

分析认为:

(1) 從液氧流动角度看,热负荷一定时,液氧液面越高氧通道内液氧循环倍率大,液氧对

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壁面冲刷能力越好,乙炔和碳氢化合物不易析出堵塞通道,減小了事故隱患提高了安全性。

(2) 液氧侧沸腾给热系数与流体流动有关,流动情况越好给热系数越大,冷 凝蒸发器传热系数主要取决于液氧蒸发侧, 高液面对提高传热系数有利。

(3) 虽然液氧面提高,使氧的平均饱和温度略有提高，但由于传热系数增大不 用提高下塔压力来增大传热温差,实际下塔操作压力几乎还略有下降。

为此,板翅式冷凝蒸器的设计高度已从原来2.1米降低到1.8米,國外甚至有 的只有1.4米,所以板翅式冷凝蒸发器釆用全浸操作,既安全又合理。 3) 通道排列

板翅式换热器的通道排列和通道组合直接影响换热器的传热效果，是换热器的设计关键。当通道排列偏离理想布置时，局部的热负荷将引起很大的热不平衡，产生了温度交叉和热量内耗，使换热器的效率降低，以至无法用增加传热面积的富裕量来弥补损失。如一般的多股流换热器，就有上百个通道，由于难于估计换热器的局部热不平衡对于换热器的效率影响，所以有必要对每一条通道布置作仔细考虑。

通道排列目前尚无明确的原则和计算的数学模型及计算方法，通常根据传热学原理和和换热器壁温测试的运转经验数据作为通道排列遵循的通用原则。英国哈韦尔(Harwell)传热与流体流动事务所在这一领域中作了大量的研究工作。 （1）隔离型通道排列

冷通道与热通道相间隔排列（即单迭布置），具有避免温度交叉，减少热量内耗，以达到较大换热效果的优点。在一股热流体对多股冷流体换热情况下，热流体通道数往往小于冷流体总通道数，这与冷、热流体总通道数相等的假设是矛盾的，势必造成通道的局部热负荷的不平衡，过剩热负荷所造成的热量内耗是这种类型通道排列的根本缺点。 （2）局部热负荷平衡型通道排列

沿着换热器横向划分成若干个尽可能小的平衡单元，在小单元内尽可能做到局部热负荷平衡，以便减少热量内耗，其标志应使沿换热器同一横截面的壁面温度尽可能接近，在于尽可能减小过剩热负荷和传导距离，是符合传热学的基本规律。图示5为一台三股流换热器的通道排列，一股热流体A与二股冷流体B和C换热，其通道数分别是5、4、4，总热负荷分

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别是1×10 W、8×10 W、2×10 W。采用两种不同的通道排列，把局部通道热负荷的累积总和作图表示，所得出的两种结果。很明显，偏离零线总的热不平衡表示能够达到温度平衡程度。所以，在大型空分设备和大型乙烯冷箱换热器，由于冷流体股数往往多于热流体，设计中通道布置大多采用复迭置布置，并布置成对称形式，使换热器具有最大的制冷效果，消除温度交叉，并避免了热量内耗。

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图5 三股流换热器的通道排列

4）我國板翅式换热器技术与國外差距

我國板翅式换热器技术与國外先进水平仍存在一定差距, 主要表现在两个方面。(1) 设计压力。最高设计压力国外已达10Mpa,而国內虽已能生产8.0MPa高压换热器,但成品率不高质量也难於保证,所以空分內压缩流程和天然气液化中配用的高压换热器几乎全部向国外进口(美国Chart Heat Exchangers Partnership；法国诺顿公司Nordon Cryogenie)。(2) 流动阻力。同规格容量空分设备配套的板翅式主换热器流道流通阻力比国外进囗的要大, 为了減少阻力因而流通截靣比国外大了近1/3左右,也就是说同一套空分设备国外配3台主换热器而我们就要4台。

上世纪六十年代，杭氧研究所陳大慈所长参加国际低温年会带回板翅式换热器样品模型,当时在国外禁运和技术封锁下,研究所经过十多年研究试验,攻克了技术难关,在空分上首先获得应用。此后但在把技术推广应用到引进的三十万吨大型乙烯装置(设计压力4.0Mpa) 和三十吨大型合成氨装罝(设计压力8.0Mpa) 囯产化上一直未能成功。直至1992年引进美囯S.W.公司技才突破了高压板翅式换热器制造技术后才在乙烯冷箱上得到应用。

板翅式换热器放热系数是通过试验研究，最后整理成传热因子j、摩擦因子f和雷诺数Re的试验曲线耒表达,这是换热器传热设计和阻力计算的依据。每亇制造厂因翅片规格,类型不同和成形工艺差异, 对某一种翅片都有一组它自已的相应旳性能曲线。这就需要企业较大的资金和人力投入,建立起一套完整试验台位,但我国至今没有一家厂商和科研院所高等院校进行过系统的试验研究，也没有自己的完整试验数据。從实测数据看,同类型翅片阻力我们比国外大得多,因此不得不用增大流通截面来降低流速以減小阻力，这也就是为什么我國大容量同规格空分比國外配置旳主换热器单元数要多原因。由此影响成套空分装罝的先进性和投资成本，成为大型和特大型空分國际竞标中失标旳原因之一。所以，企业发展应注重科研的投入，才是企业发展和竞爭中立于不敗之地根本之策。

参考文献

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【2】王松汉等编著 板翅式换热器 化学工业出版社 1984

【3】美国S.W公司 真空钎焊 铝制板翅式换热器设计手册（内部资料）

【4】The Standards of The Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers’ Association (ALPEMA) Second Edition 2000

【5】机械工程手册电机工程手册编辑委员会 机械工程手册通用设备卷第6篇气体分离与液化设备 北京机械工业出版社 1997 【6】中华人民共和国家机械行业标准 JB/T 7261-94 铝制板翅式换热器技术条件 机械工业部发布

【7】嵇训达 我国板翅式换热器技术进步 低温与特气 1998 NO.1

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【8】嵇训达 板翅式换热器在石油化工乙烯装置中应用 深冷技术 1977 NO.5 【9】换热器 石油化工设备设计选用手册 化学工业出版社 2009 【10】毛绍融等 空分设备技术与操作原理 杭州出社 2005

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