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空分设备中由于液化循环和精馏过程等需要， 进行着各种不同的热量传递过程： 如压缩
空气的冷却，分离产品氧和氮的加热、液氧的蒸发和气氮的冷凝等。进行上述传热过程所用
的设备称为“换热器 ， 通过它使热量从高温流体传给低温流体。换热器工作的好坏，’对空分
设备能否正常的经济的工作有很大影响。为此空分设备中常采用热效率高、紧凑和流体阻力
小的换热器。
热量传递有三种方式： 热传导、对流换热和热辐射。
一、热传导
热传导，也叫“导热 ，是在静止的物质中传热。固体中热传导如图4— 1所示。均匀固
体组成的平壁，壁的两侧温度分别为 和 ，t > ，且t 、 保
持不变，则有—定的热量 热传导方式从t 侧传递到t：侧，单
位时间内热传导的热量 与平壁面积 和壁面两侧的温度差成
正比， 与壁面厚度b成反比， 即
=^·( ／6)-(tl一如) (W)
式中^称为材料的导热系数。
值 如图4 2 的热传导
一 所示。由图可知，金属的导热系数最丈， 液体次
之， 气体最小。各种物质在不同的温度下其导热系数是不同的。习惯上把导热系数小于O·23
W／m·K的材料称为绝热材料或保温材料，珠光砂、碳酸镁、矿渣棉、脲醛泡沫塑料、玻璃
棉、石棉和软木等都属于这种材料，它们的导热系数在0．012~0．12 W／m·K 之间。其它高
真空绝热、真空粉末绝热和高真空多层绝热，它们的有效导热系数更低，如图4— 3所示。
囤4— 2 导热系数与温度的关系
二、对流换热
对流换热，是流动介质中传热。如图4— 4
所示 流体与壁面的传热过程，既包含流体各部
分相对位移而引起的换热，也包含流体分子间的
导热。
对流换热的强弱与流体的流动状态有关。流
体的流动有自然对流和强制对流两种。自然对流
是由于流体内部各处温度不同， 引起各处密度的
差异， 因而形成流体的流动。强制对流是流体受
到外力作用(泵、风机等)而引起的流动。
单位时间内以对流换热方式传递热量 与固
体壁面，面积 、壁而温度t 与流体温度t 两
者之差成正比， 即
流体被加热时 ：口-A-(f 一tD CW]
流体被冷却时 =口-A-( ，一t ) CW]
式中口称为换热系数或1放热系数。口表明对流
传热的易难程度，其影响因素很多， 如流体的
物牲(温度、压力、重度、比热、导热系数等)、流体的流动状态(层流或素流)、有无相态变
化和换热面的情况(水平放置、垂直放置、管径、管长、圆形管、平板、粗糙度等)。一般说
来，同一流体，强制对流的换热系数高于自然对流的值，有相变(沸腾、凝结)时的换热系数
大于无相变时的值，液体的换热系数高于气体的换热系数。以半经验、半理论方法获得的对
流换热放热系数的计算公式，一个计算式适用于某一特定的条件。
图4— 3 真空绝热的几种基本型式和有教导热系数
a)高真空绝热b)真空多孔绝热c) d)真空多层绝热e)有效导热系数
圈4— 4 流体与壁面的对流换热
-51 ·
表4-1 对流放热系数的走致范围
{肯 放[蒋，委 袭
空气自然对流
水自然计淑
空气强制对沆
巾 常压燕汽强制对洫
油强售l对流
水强缶I对虢
常压水沸腾
木蒸汽膜状凝结
3～ 6
Z0O～ 5O0
2 ～ 100
5O～ 150
50～ 450
3O0O～ 800O
400q～ 10000
4O0 ～ 10 4】O
三， 热辐射
物体由于热的原因而发生的辐射称为“热辐射”， 热辐射波长在0．1~100微米之^日'。热辐
射泣程中物体把它的热能不断转换成辐射能，物体的温度愈高，所发射的辐射能量愈多， 也
就是说，物体发射辐射能量多少与物体的温度有关。电磁波落到物体表面时，或多或少地被
物体所吸收并转变为热能。
髓把辐射能全部吸收的物体称 黑体 。同一温度下，黑体的辐射能力 最大。
Eo=C0·(T／100)‘
式中 一单位时间内从单位面积的黑体袭面上发射出去的辐射毹，[WIm ]
一黑体的绝对温度，[K]
C。一黑体的辐射系数，Co=5．67·10 W Im ·K
一切实际物体的辐射能力F为
E= ·E0=CoC0·(T／IO0)‘
式中 称为物体的黑度。它与物体(灰体)的性质，表而情况及温度有关，其值总是小于1，以
实验测定之。
所有物体都在不停地向四周发出辐射能， 同时又不断地吸收其他物体发出之热辐射能，
并把吸收的辐射能重新转换成热能。所谓辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果，
辐射换热的结果是高温物体向低温物体转移了热量。辐射按热可在真空中进行。两物体之间
以辐射传热方式从高温物体传给低温物体的热量， 按下式进行计算t
式中 qt-r 表面1以辐射方式传递给表面2的热量，CW3
一物体1和物体2的系统黑度
一表面1的面积，[m ]
一z一表面1对表面2的角系数，即表 】发出的辐射能落到表面2上的百分数。它
取决于按热物体的形状、尺寸及物体同的相对位置，与物体的性质和温度无关
、 一袭面1和表面2的绝对温度，[K]
固体莉1液体能发射辐射线，少数气体也能吸收辐射和向外辐射， 如H O、CO 、CO、
SO。、HCI等。这些气体仅仅吸收或辐射一定波长范围中的那部分能量，另外气体的辐射和
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舂2· 深冷技术 总第142划
吸收是在整个容积内进行的，所以与气体的形状和体积有关。
四、三种传热方式大多同时呈现
热传导和对流换热是由温度差产生的，
热传导、对流换热和热辐射三种传热方
式在实际传热过程中很少单独存在，大多是
同时呈现。例如在列管式换热器中，列管内
外有冷热流体流过，通过管壁进行传热，如
图4— 5所示。
热量首先用对流换热， 从热流体中进入
管壁 ， 然后经过导热通过管层到达管壁
山， 最后再以对流换热进入冷流体。
五、传热平均沮度差
热量传遗的动力是冷热流体之间的温度
差(f 一to)， 因此也有将温度差称为“温压
的。但是热量传递的多少还与热流体对管壁
热辐射仅决定予物体本身的绝对温度。
的放热系数口 管壁导热热阻b肌以及管壁 图4— 5 列管式换热器
对冷流体的放热系数‰ 有关，这三者综合 1．盖(或底) 2．臂板(花板) 8．
管子
而成一个系数称为传热系数五。。传热系数 4．外壳5．法兰6、7．连接管8．支座
五表示管壁两边的流体间传热强度的数值。 (或支架) 9·折流板(挡板)
对于一定的传热面积，传热系数愈大，’传热过程愈强烈}反之则愈弱。
通过换热器传热表面单位时间内所传递的热量口，按下列公式确定t
g?K A At CW ]
式中 五一传热系数，[W／mZ．K]
一传热表面积，Cm ]
t一冷热流体之间的温度差，[Kj
一般换热器内冷热气体的温差是不断变化的，因此使用上述传热方程式来计算整个传热
面韵传热量时，必须使用整个传热面积上的平均温差 ， 由此上述传热方程式一般形式为：
q=A·Ko,dt．
从传热方程式口=K·A·At 可知，热量转移过程与电量转移过程I=Cr／l~是相似的；热
流密度口对应于电流强度 ；传热温差 对应于电压u}(1JKA)对应予电阻R。(1／KA)表
示热量传递路径上的阻力， 称为热阻R 。如果热量传递路径上传热面积沿途不变，则采用单
位面积热阻1／疋如果传热面积沿途变化，则用总面积热阻1／瓦d。
可应用热阻来求解和分析各种传热问题。当热量连续通过若干个串联物体时，总热阻等
于备热阻之和。几种常见情况之热阻R 如表4— 2所示。
上述列管式换热器中传热过程是三个串联环节组成，总热阻R，(~／KA)等于组成该传热
过程的各串联环节的热阻之和
表4— 2 几种常见情况的R 值
1．单层平壁
璧商f
2． 多层平壁
壁高
困圆管壁的内表面积A．= ．L、外表面积A。= ·L及平均面积A ： ·L不相等(式中
d 、d、 d 、L分 表示圆管管壁的内径、外径、平均直径及长度)。所以传热系数K值也随
所取的传热面积不同而异。
我国换热器系列标准中规定换热面积以外壁面为基准， 因此通常根据管子外径为基准计
算传热面积。
五。称为以传热面积也为基准的传热系数
在实际生产过程中， 换热器使用时间久了， 常会在传热壁
面上生成污垢层，如图4— 6所示。污垢层—般很薄， 但其导
热系数很小，具有较大的热阻，从而使换热器的传热效果大为
降低，成为传热过程申不可忽视的影响因素。当管壁两侧皆有
污垢层时， 这时总热阻R，为；
图4— 6 壁面上有污垢时
传热过程的分析
式中一忐、— 为污垢层的导热热阻，此值亦可用污垢热阻 z、显 a来表示。上式可
写成如下形式：
枉设计或选用换热器时，由于污垢层厚度及其导热系数皆不易估计，在工程计算时，通
常是根据经验选用污垢热阻， 污垢热阻可从有关资料中查取。
六、冷热流体在换热器中的流向组织
一般场合，换热器内冷热气流之间的温差是变化的。两流体平行同向流动称顺流，平行
逆向流动称逆流，垂直交叉流动称错流，如图4— 7所示。由顺流、逆流、错流组台的流动
称复合流。
(a)顺流 (b)逆流
图4— 7 流体的流向
图4— 8示出顺流和逆流时冷、热流体沿
换热器长度方向温度变化的情况。
从图4— 8可知， 流动方向对传热平均漏
差是有影响的，下面分别进行讨论。
(1)对于间壁两侧流体皆为恒温(有相变
的流体)和一侧流体恒温、一侧流体变温， 流
体的流动方向对传热的平均温差无影响。
(2)间壁两俩流体温度皆有变化时，两种
流体的开始和终了温度均一定时，逆流操作所
圈4— 8 J 流、逆流挟热器中流体沿
流动方向的温度变化图
具有的传热平均温差较顺流大， 错流和折流的平均温差亦比逆流小， 所阻换热器内常采用逆
流
(3)错流和折流操作， 虽然传热平均温差比逆流操作时小， 但结构紧凑，设备布置合理，
便于操作， 应用亦广。
如果沿整个换热器长度内换热流体的比热不变，则传热平均温差可用对数平均温差求
如果沿整个换热器长度内换热，流体的比热会发生很大变化，此时传热平均温差必须按
积分平均温差确定。 ’
空分装置中应用的鞭热器型式繁多，按传热的特征分为三赛； 、
(1)问壁式换热器。如图4一l0所示， 它的特点是冷热流体之间通过传热壁面(传热面)
进行热交换，两股换热流体不混合。间壁式换热器应用最广，属于此类换热器的有；绕管式
换热器j列管式换热器}趣片管换热器和板翅式换热器等。
(2)蓄热式换热器。如图4一儿所示，它的特点是把间壁式换热器中进行的传热过程，
从时间上分割成两个阶段进行。在加热周期，热流体流过壁面，壁面渡加热，并把吸收的热
量贮存起来。在冷却周期，冷流体流过壁面， 壁面被冷却， 并把贮存之热量传递给冷流体。
空气的冷却，分离产品氧和氮的加热、液氧的蒸发和气氮的冷凝等。进行上述传热过程所用
的设备称为“换热器 ， 通过它使热量从高温流体传给低温流体。换热器工作的好坏，’对空分
设备能否正常的经济的工作有很大影响。为此空分设备中常采用热效率高、紧凑和流体阻力
小的换热器。
热量传递有三种方式： 热传导、对流换热和热辐射。
一、热传导
热传导，也叫“导热 ，是在静止的物质中传热。固体中热传导如图4— 1所示。均匀固
体组成的平壁，壁的两侧温度分别为 和 ，t > ，且t 、 保
持不变，则有—定的热量 热传导方式从t 侧传递到t：侧，单
位时间内热传导的热量 与平壁面积 和壁面两侧的温度差成
正比， 与壁面厚度b成反比， 即
=^·( ／6)-(tl一如) (W)
式中^称为材料的导热系数。
值 如图4 2 的热传导
一 所示。由图可知，金属的导热系数最丈， 液体次
之， 气体最小。各种物质在不同的温度下其导热系数是不同的。习惯上把导热系数小于O·23
W／m·K的材料称为绝热材料或保温材料，珠光砂、碳酸镁、矿渣棉、脲醛泡沫塑料、玻璃
棉、石棉和软木等都属于这种材料，它们的导热系数在0．012~0．12 W／m·K 之间。其它高
真空绝热、真空粉末绝热和高真空多层绝热，它们的有效导热系数更低，如图4— 3所示。
囤4— 2 导热系数与温度的关系
二、对流换热
对流换热，是流动介质中传热。如图4— 4
所示 流体与壁面的传热过程，既包含流体各部
分相对位移而引起的换热，也包含流体分子间的
导热。
对流换热的强弱与流体的流动状态有关。流
体的流动有自然对流和强制对流两种。自然对流
是由于流体内部各处温度不同， 引起各处密度的
差异， 因而形成流体的流动。强制对流是流体受
到外力作用(泵、风机等)而引起的流动。
单位时间内以对流换热方式传递热量 与固
体壁面，面积 、壁而温度t 与流体温度t 两
者之差成正比， 即
流体被加热时 ：口-A-(f 一tD CW]
流体被冷却时 =口-A-( ，一t ) CW]
式中口称为换热系数或1放热系数。口表明对流
传热的易难程度，其影响因素很多， 如流体的
物牲(温度、压力、重度、比热、导热系数等)、流体的流动状态(层流或素流)、有无相态变
化和换热面的情况(水平放置、垂直放置、管径、管长、圆形管、平板、粗糙度等)。一般说
来，同一流体，强制对流的换热系数高于自然对流的值，有相变(沸腾、凝结)时的换热系数
大于无相变时的值，液体的换热系数高于气体的换热系数。以半经验、半理论方法获得的对
流换热放热系数的计算公式，一个计算式适用于某一特定的条件。
图4— 3 真空绝热的几种基本型式和有教导热系数
a)高真空绝热b)真空多孔绝热c) d)真空多层绝热e)有效导热系数
圈4— 4 流体与壁面的对流换热
-51 ·
表4-1 对流放热系数的走致范围
{肯 放[蒋，委 袭
空气自然对流
水自然计淑
空气强制对沆
巾 常压燕汽强制对洫
油强售l对流
水强缶I对虢
常压水沸腾
木蒸汽膜状凝结
3～ 6
Z0O～ 5O0
2 ～ 100
5O～ 150
50～ 450
3O0O～ 800O
400q～ 10000
4O0 ～ 10 4】O
三， 热辐射
物体由于热的原因而发生的辐射称为“热辐射”， 热辐射波长在0．1~100微米之^日'。热辐
射泣程中物体把它的热能不断转换成辐射能，物体的温度愈高，所发射的辐射能量愈多， 也
就是说，物体发射辐射能量多少与物体的温度有关。电磁波落到物体表面时，或多或少地被
物体所吸收并转变为热能。
髓把辐射能全部吸收的物体称 黑体 。同一温度下，黑体的辐射能力 最大。
Eo=C0·(T／100)‘
式中 一单位时间内从单位面积的黑体袭面上发射出去的辐射毹，[WIm ]
一黑体的绝对温度，[K]
C。一黑体的辐射系数，Co=5．67·10 W Im ·K
一切实际物体的辐射能力F为
E= ·E0=CoC0·(T／IO0)‘
式中 称为物体的黑度。它与物体(灰体)的性质，表而情况及温度有关，其值总是小于1，以
实验测定之。
所有物体都在不停地向四周发出辐射能， 同时又不断地吸收其他物体发出之热辐射能，
并把吸收的辐射能重新转换成热能。所谓辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果，
辐射换热的结果是高温物体向低温物体转移了热量。辐射按热可在真空中进行。两物体之间
以辐射传热方式从高温物体传给低温物体的热量， 按下式进行计算t
式中 qt-r 表面1以辐射方式传递给表面2的热量，CW3
一物体1和物体2的系统黑度
一表面1的面积，[m ]
一z一表面1对表面2的角系数，即表 】发出的辐射能落到表面2上的百分数。它
取决于按热物体的形状、尺寸及物体同的相对位置，与物体的性质和温度无关
、 一袭面1和表面2的绝对温度，[K]
固体莉1液体能发射辐射线，少数气体也能吸收辐射和向外辐射， 如H O、CO 、CO、
SO。、HCI等。这些气体仅仅吸收或辐射一定波长范围中的那部分能量，另外气体的辐射和
维普资讯 http://www.cqvip.com
舂2· 深冷技术 总第142划
吸收是在整个容积内进行的，所以与气体的形状和体积有关。
四、三种传热方式大多同时呈现
热传导和对流换热是由温度差产生的，
热传导、对流换热和热辐射三种传热方
式在实际传热过程中很少单独存在，大多是
同时呈现。例如在列管式换热器中，列管内
外有冷热流体流过，通过管壁进行传热，如
图4— 5所示。
热量首先用对流换热， 从热流体中进入
管壁 ， 然后经过导热通过管层到达管壁
山， 最后再以对流换热进入冷流体。
五、传热平均沮度差
热量传遗的动力是冷热流体之间的温度
差(f 一to)， 因此也有将温度差称为“温压
的。但是热量传递的多少还与热流体对管壁
热辐射仅决定予物体本身的绝对温度。
的放热系数口 管壁导热热阻b肌以及管壁 图4— 5 列管式换热器
对冷流体的放热系数‰ 有关，这三者综合 1．盖(或底) 2．臂板(花板) 8．
管子
而成一个系数称为传热系数五。。传热系数 4．外壳5．法兰6、7．连接管8．支座
五表示管壁两边的流体间传热强度的数值。 (或支架) 9·折流板(挡板)
对于一定的传热面积，传热系数愈大，’传热过程愈强烈}反之则愈弱。
通过换热器传热表面单位时间内所传递的热量口，按下列公式确定t
g?K A At CW ]
式中 五一传热系数，[W／mZ．K]
一传热表面积，Cm ]
t一冷热流体之间的温度差，[Kj
一般换热器内冷热气体的温差是不断变化的，因此使用上述传热方程式来计算整个传热
面韵传热量时，必须使用整个传热面积上的平均温差 ， 由此上述传热方程式一般形式为：
q=A·Ko,dt．
从传热方程式口=K·A·At 可知，热量转移过程与电量转移过程I=Cr／l~是相似的；热
流密度口对应于电流强度 ；传热温差 对应于电压u}(1JKA)对应予电阻R。(1／KA)表
示热量传递路径上的阻力， 称为热阻R 。如果热量传递路径上传热面积沿途不变，则采用单
位面积热阻1／疋如果传热面积沿途变化，则用总面积热阻1／瓦d。
可应用热阻来求解和分析各种传热问题。当热量连续通过若干个串联物体时，总热阻等
于备热阻之和。几种常见情况之热阻R 如表4— 2所示。
上述列管式换热器中传热过程是三个串联环节组成，总热阻R，(~／KA)等于组成该传热
过程的各串联环节的热阻之和
表4— 2 几种常见情况的R 值
1．单层平壁
璧商f
2． 多层平壁
壁高
困圆管壁的内表面积A．= ．L、外表面积A。= ·L及平均面积A ： ·L不相等(式中
d 、d、 d 、L分 表示圆管管壁的内径、外径、平均直径及长度)。所以传热系数K值也随
所取的传热面积不同而异。
我国换热器系列标准中规定换热面积以外壁面为基准， 因此通常根据管子外径为基准计
算传热面积。
五。称为以传热面积也为基准的传热系数
在实际生产过程中， 换热器使用时间久了， 常会在传热壁
面上生成污垢层，如图4— 6所示。污垢层—般很薄， 但其导
热系数很小，具有较大的热阻，从而使换热器的传热效果大为
降低，成为传热过程申不可忽视的影响因素。当管壁两侧皆有
污垢层时， 这时总热阻R，为；
图4— 6 壁面上有污垢时
传热过程的分析
式中一忐、— 为污垢层的导热热阻，此值亦可用污垢热阻 z、显 a来表示。上式可
写成如下形式：
枉设计或选用换热器时，由于污垢层厚度及其导热系数皆不易估计，在工程计算时，通
常是根据经验选用污垢热阻， 污垢热阻可从有关资料中查取。
六、冷热流体在换热器中的流向组织
一般场合，换热器内冷热气流之间的温差是变化的。两流体平行同向流动称顺流，平行
逆向流动称逆流，垂直交叉流动称错流，如图4— 7所示。由顺流、逆流、错流组台的流动
称复合流。
(a)顺流 (b)逆流
图4— 7 流体的流向
图4— 8示出顺流和逆流时冷、热流体沿
换热器长度方向温度变化的情况。
从图4— 8可知， 流动方向对传热平均漏
差是有影响的，下面分别进行讨论。
(1)对于间壁两侧流体皆为恒温(有相变
的流体)和一侧流体恒温、一侧流体变温， 流
体的流动方向对传热的平均温差无影响。
(2)间壁两俩流体温度皆有变化时，两种
流体的开始和终了温度均一定时，逆流操作所
圈4— 8 J 流、逆流挟热器中流体沿
流动方向的温度变化图
具有的传热平均温差较顺流大， 错流和折流的平均温差亦比逆流小， 所阻换热器内常采用逆
流
(3)错流和折流操作， 虽然传热平均温差比逆流操作时小， 但结构紧凑，设备布置合理，
便于操作， 应用亦广。
如果沿整个换热器长度内换热流体的比热不变，则传热平均温差可用对数平均温差求
如果沿整个换热器长度内换热，流体的比热会发生很大变化，此时传热平均温差必须按
积分平均温差确定。 ’
空分装置中应用的鞭热器型式繁多，按传热的特征分为三赛； 、
(1)问壁式换热器。如图4一l0所示， 它的特点是冷热流体之间通过传热壁面(传热面)
进行热交换，两股换热流体不混合。间壁式换热器应用最广，属于此类换热器的有；绕管式
换热器j列管式换热器}趣片管换热器和板翅式换热器等。
(2)蓄热式换热器。如图4一儿所示，它的特点是把间壁式换热器中进行的传热过程，
从时间上分割成两个阶段进行。在加热周期，热流体流过壁面，壁面渡加热，并把吸收的热
量贮存起来。在冷却周期，冷流体流过壁面， 壁面被冷却， 并把贮存之热量传递给冷流体。