在日常生活和生產實踐中，會遇到大量傳熱的現象。人們把生活和生產中這種傳熱現象總結后得出結論：凡是有溫度差別的地方就一定有熱量的傳遞，熱量總是自動地由高溫物體傳向低溫物體。工業上凡是將熱量由熱流體傳遞給冷流體的換熱設備，都稱為熱交換器，簡稱換熱器。空分設備中主要有：切換板翅式換熱器、主換熱器、冷凝蒸發器、過冷器、液化器、加熱器、空壓機冷卻器、氮水預冷器等。而且這些換熱器是實現空氣液化分離及維持空分設備正常運轉所必不可少的主要設備。因此我們也有必要對它有所了解。
1.7.1 熱傳遞的三種基本方式
1. 熱傳導和熱導率 物體內部分子和原子微觀運動所引起的熱量傳遞過程稱為熱傳導，又稱導熱。在單位時間內從tω1的高溫壁面傳遞到tω2的低溫壁面的熱流量φ（W）的大小，和壁的面積F（m2）與兩壁溫差（tω1-tω2）（℃）成正比，與壁的厚度δ（m）成反比。此外，還與壁的材料性質等因素有關。因此由上面的比例關系，可以寫出平壁的導熱計算式為：
Φ=F（tω1-tω2）=F（tω1-tω2）/（W） （1-21）
式（1-21）中比例系數λ稱為熱導率，單位為W/（m.K）。在數值上等于單位時間內，面積為1m2、壁厚為1m、兩側壁溫差為1K時所傳遞的熱量。
為了比較導熱量的大小，在單位時間內，通過每平方米表面積所傳導的熱流量稱為熱流密度q。平壁導熱的熱流量計算式為：
q==λ（W/m2） （1-22）
從式（1-22）可以看出，有溫差Δt存在才有熱量傳導。溫差Δt愈大，傳導熱量也愈大，因而溫差也稱溫壓。δ/λ愈大，熱流密度就愈小，它表示了阻礙熱傳導阻力的大小，稱為平壁單位面積的導熱熱阻。
用熱阻的概念來分析判斷傳熱過程的強弱及為有用。為了增強導熱，就應使熱阻減小，這時可選用簿壁和導熱率較大的材料。相反要求保溫的場合（常稱為熱絕緣），為了削弱導熱，就要增大熱阻，選用厚壁和導熱率小的材料。
一般說來，熱導率的數值以金屬*大，液體之次，氣體*小。一些常用材料的熱導率見表。
常用材料的熱導率表
材料名稱
熱導率λ
[W/（m.K）]
材料名稱
熱導率λ
[W/（m.K）]
銅
鋁
鋼
不銹鋼
木材
紅磚
383
204
約47
29
0.12
0.23∽0.58
礦渣棉
玻璃棉
珠光砂
碳酸鎂
水
空氣
0.04∽0.046
0.037
0.035
0.026∽0.038
約0.58
0.023
熱導率較小的固體材料有良好的絕熱效果，習慣上把熱導率在常溫下小于0.23W/（m.K）的材料稱為絕熱材料。在空分設備的冷箱中，常用的絕熱材料為珠光砂（膨脹珍珠巖）、礦渣棉、碳酸鎂等。絕熱材料受潮后，熱導率大大增加，因此絕熱材料的防潮十分重要。
2. 對流放熱及放熱系數 當流體（溫度tf1）流過壁面（溫度tω1）時，流體傳遞給壁面1的熱量的傳遞過程，在工程上稱為對流放熱，也稱放熱。傳熱學上把由于流體中溫度不同的部分發生相對位移時進行熱量傳遞稱為熱對流，熱對流只可能發生在液體和氣體中。需要指出的是，在熱對流的同時，流體各部分之間往往還存在著導熱，因此工程上所謂的對流放熱，是熱對流和導熱兩種方式聯合作用的結果。冷流體（溫度tf2）對璧面（溫度tω2）的熱量傳遞過程也相同。
如果在單位時間里，熱流體對壁面1的對流放熱量大小，和傳熱壁面表面積F大小，以及熱流體與壁面的溫差（tf1-tω1）成正比，此外還和流體物性、流體流動的特性等因素有關。由上面的比例關系寫出對流放熱的計算公式為：
Φ=α1F（tf1-tω1）=（tf1-tω1）/（W） （1-23）
式中比例系數α1叫對流放熱系數，即
α1=〈W/（m2.K）〉 （1-24）
放熱系數在數值上等于單位時間里，流體與壁面溫差為1K，壁面積為1m2時所交換的熱流量。
放熱系數大小，表示了放熱過程的強弱。影響放熱過程的因素比較復雜，它與流體的物性、流動狀態、換熱面積和傳熱溫度有關。放熱系數通常都是根據實驗確定的。
如果按單位面積來計算，對流放熱為：
q==α1（tf1-tω1） （W/m2） q= （W/m2） （1-25）
由式（1-25）可得到相應于單位面積的對流放熱的熱阻為1/α1。由式（1-24）可得到相應的總面積的對流放熱熱阻為1/（α1F）。
常見對流放熱系數經驗數據如下表：
常見放熱系數經驗數椐表
放熱性質
放熱系數α[W（m2.K）]
放熱性質
放熱系數α[W（m2.K）]
水蒸汽冷凝
氮的冷凝
氧的沸騰
水的加熱或冷卻
4600∽
2000∽2300
1400∽2100
600∽930
水的沸騰
油的加熱或冷卻
空氣的加熱或冷卻
600∽
600∽1750
10∽115
對流放熱又可分為無相變對流放熱和有相變對流放熱，無相變對流放熱又有受迫對流放熱和自然對流放熱之分。受迫對流放熱是由泵、風機、空壓機及其它外部動力源作用下，造成流體流動的對流過程，因而又稱強制對流放熱。工業上使用的換熱器中流體對壁面放熱，絕大部分屬于受迫對流放熱。自然對流放熱是由于流體冷、熱各部分的密度不同，引起流動的對流放熱過程。
有相變對流放熱，是指液體受熱沸騰的沸騰放熱；飽和蒸汽放出汽化潛熱后凝結成液體的冷凝放熱。
比較各種類型的對流放熱，大致可以得出以下結論：液體的對流放熱系數比氣體高；同一種流體，強制對流放熱比一般自然對流放熱強烈；有相變的對流放熱系數比無相變的大。
3. 熱輻射 一物體的熱能先轉化為輻射能，以電磁形式傳播給另一物體；另一物體吸收了部分輻射能，并轉化為熱能。電磁波的傳播不需要中間介質，因而輻射傳熱是真空中**的熱傳遞方式。工程上以把物體之間以熱輻射方式進行熱量傳遞的過程，叫做輻射換熱。
空分設備中換熱器各種流體以及壁面溫度均較低，而且流體與壁面之間溫差很小，輻射換熱不是一種主要方式，一般不加考慮。對于低溫儲運設備（如液氧、液氮貯槽），此時需要加以仔細的計算。
根據傳遞的物理本質不同，熱量以導熱、對流放熱、輻射三種方式進行傳遞。實際使用的各種換熱器的熱傳遞過程，基本上是三種方式的組合。現以空分設備中換熱器為例來說明。
（1）主換熱器 加工空氣（管內）→對流放熱→ 內壁→ 導熱→ 外壁→ 對流放熱→ 氧、氮氣（管外。）
（2）液空過冷器 液空（管內）→ 對流放熱→ 內壁→ 導熱→ 外壁→ 對流放熱→ 氮氣（管外）。
（3）冷凝燕發器 （板翅式）氣氮冷凝（管內）→有相變對流放熱/冷凝放熱→ 內壁→ 導熱→ 外壁→ 有相變對流放熱/沸騰放熱→ 液氧沸騰（外管）。
（4）污氮液化器（板翅式）空氣液化→ 有相變對流放熱/冷凝放熱→ 內壁→ 導熱→ 外壁→ 有相變對流放熱/沸騰放熱→ 液氧沸騰（外管）。
1.7.2 傳熱方程
傳熱基本方程
ф=KFΔtm（W） （1-26）
單位面積上傳遞的熱流量稱熱流密度，表示為
q= =KΔtm（W/m2） （1-27）
式中——熱流量（W）；
F一傳熱面積（m2）；
Δtm一平均傳熱溫差（K）；
K一傳熱系數[W/（m2. K）]。
傳熱系數K，在數值上等于冷熱體溫差為1K，在單位時間內通過1m2傳熱面積所傳遞的熱量。它表示了兩種流體間傳熱的強弱。
應用傳熱方程可以解決下列三個方面問題：
（1）計換熱器。根據給定的ΦΔtm，K可以計算出傳熱面積F。
（2）核算換熱器。核算現有換熱器能否滿足換熱要求。
（3）測定傳熱系數。通過實踐和對運轉設備傳熱系數K的測定，為設計提供經驗數據。
1. 傳熱系數K
（1）平壁傳熱系數K 平壁傳熱過程，可看作由三個串聯的熱傳遞環節組成，即對流放熱-導熱-對應的熱流密度q分別為：
q1=α1（tf1-tω1=）=
q2=（tω1-tω2）=
q3=α2（tω2-tf2）=
在穩定傳熱情況下，三個換熱環節熱流量相等、即q1=q2=q3=q，于是
q==（W/m2） （1-28）
根據式（1-27）和式（1-28）的相等關系，得到傳熱關系K為
K=[ W/（m2.K）] （1-29）
平壁傳熱的總熱阻為
（m2.K/W）
對金屬壁來說，導熱熱阻與對流熱阻相比很小，可忽略不計，上式可簡化為
K=[W/（m2.K）]
（2）圓管壁傳熱系數K
圖1-29為圓管壁傳熱示圖。圓管壁的穩定傳熱與平壁傳熱有所不同，是由于圓管內、外徑不同，傳熱面積有變化，所以熱流密度在傳熱過程中是變化的，因此引用熱流量Φ進行分析。
圓管壁傳熱同平壁傳熱相似，它由三個串聯熱量傳遞環節組成。
圖1-29圓管壁傳熱示圖
管內流體對管壁的對流放熱熱流量為
Φ1=α1πd1L（tf1-tω1）=
管壁對管壁的導熱熱流量由于圓筒內、外徑的不同，傳熱面積的變化，所以不能采用平壁導熱公式，應用數學積分推出圓管壁導熱計算式
Φ2=（tω1-tω2）=
管壁2對管外流體的對流放熱熱流量為
Φ3=α2πd2L（tω2-tf2）=
在穩定傳熱中，φ1=φ2=φ3=φ
即
φ==（w）（1-30）
當以圓管內表面積或外表面積為依據時，則上述公式與傳熱方程相比較，可分別得到傳熱系數
K1=[W/（m2. K）] （1-31）
K2=[ W/（m2.K）] （1-32）
當d2/d1≤2寸，圓管壁導熱可按平壁導熱公式（1-21）計算，誤差小于4℅，這在工程上是允許的。此時應根據內外徑算術平均直徑dm=（d1+d2）計算面積。同時，也可忽略圓管壁導熱熱阻，式（1-32）和式（1-31）可簡化為
K1=[W/（m2. K）] （1-33）
K2=[W/（m.K）] （1-34）
在圓管的管徑較大且管壁較簿時，d1≈d2則式（1-33）和式（1-34）可簡化為
K=[W/（m2.K）] （1-35）
此時傳熱系數與平壁傳熱時傳熱系數完全一樣。
（3）傳熱系數K值的經驗效據 影響傳熱系數的因素非常多，正確的確定傳熱系數是設計計算換熱器的關鍵。通常是根據理論計算，再參考經驗數據進行分析比較，選取合適的K值。
下表列出了空分設備各種換熱器傳熱系數K值大致范圍，供設計時參考。
換熱器傳熱系數經驗數據
型式
熱流體
冷流體
K[W（m2.℃）]
蓄冷器
卵石
空氣
氧、氮
10
鋁帶
空氣
氧、氮
30
盤管式
蓄冷器內
空氣
氧、氮
30
熱交換器
空氣
氧、氮
100-160
輔助冷凝器
氣氮冷凝
液氧蒸發
350
列 管 式
氣
氣
35-80
氣
液
60-300
冷凝蒸發器
長管式
氣氮（管內）
液氧（管內）
約650
短管式
氣氮（管內）
液氧（管內）
約500
板翅式
氣氮
液氧
約650
板翅式
切換換熱器
空氣
氧、氮、污氮、環流
60-80
過冷器
液空
氮
110
液氮
氮
80
液氧
氧
60
液化器
液空
氮.氧
約100
由表可見，相變時的傳熱系數比沒有相變要大，液相間傳熱系數比氣相間要大。傳熱系數還與結構型式有關，這在選用時應予注意。
2. 熱流量Φ的計算
（1）流體在換熱器中不發生相變（忽略冷損）
①用換熱器前后流體的溫度變化來計算 流體吸收熱流量應等于熱流體放出熱流量
Φ-W1cp1（t1ˋ-t1ˋˋ）=W2CP2（tˋ1-t2ˋˋ） （W）
式中 W1W2-熱、冷流體的質量流量（kg/g）；
cp1、cp2-熱、冷流體的定壓比熱容[J/（kg.k）]；
tˋ1、tˋ1-熱、冷流體進換熱器溫度（K）
t2ˋˋ、t2ˋˋ-熱、冷流體出換熱器溫度（K）
②用換熱器前后焓值的變化來計算（圖1-30）
φ=W1（h1ˊ-h1ˊˊ）=W2（h2ˊˊ-h2ˊˊ）（W）
圖1-30換熱器物流示意圖 式中h1ˊ、h2ˊ--熱、冷流體進換熱器時的比焓值（J/kg）
h1ˊˊ、h2ˊˊ--熱、冷流體出換熱器時的比焓值（J/kg）
（2）流體在換熱器過程中發生相變時（忽略冷損）
Q=Wr （J）
式中 W—流體（蒸發或冷凝的質量流量）（kg/s）
r—流體的汽化潛熱（J/kg）
流體在換熱過程中冷損必須考慮時
冷、熱流體進行熱交換時，若工作溫度比周圍環境低，有小部分熱量由外界傳入換熱器，稱為冷量損失（Q冷損）。這時傳熱量為
Q=Q冷=Q熱+Q冷損
若冷、熱流體進行熱交換時，其工作溫度比周圍環境濕度高，使一部分熱量散發到外界，稱為熱量損失（Q熱損）這時傳熱量為
Q=Q冷=Q熱-Q熱損
應該特別注意：Q值是指通過換熱器進行熱交換的總量。考慮周圍環境濕度的影響，可提高熱交換器設計計算的**性，這一點對空分設備低溫換熱器尤為重要。
1.7.3 換熱器的種類
1. 盤管式換熱器
圖1-31盤管式主熱交換器（液空過冷器）
圖1-31為盤管式熱交換器，用于高壓空氣和低壓氧、氮之間熱交換，以復熱氧、氮，冷卻空氣，達到回收裝置冷量的目的。高壓空氣在盤管內通過，低壓氧、氮分別在兩個相鄰隔層的管間流過，這樣安排除了出于強度考慮外（管內承壓能力高，管外承壓能力低），還由于高壓流體在截面較小的管內流動，易于控制流速，使之能在傳熱和阻力均較合適的數值下工作。低壓氣體在管外流通截面積較大，流速較小，阻力損失小，可以保證在允許的阻力損失范圍內有效參入熱交換。空氣和氧、氮流向按逆流布置，使得有較大的傳熱溫差。
2. 列管式換熱器
冷凝蒸發器（簡稱主冷）是發生相變的換熱器。它借助于從上塔下流液氧的蒸發，來冷凝由下塔上升的氮氣。產生的氧、氮產品除一部分作產品輸出外，主要保證分鎦塔工況的正常運轉。
圖1-32主冷凝器結構示意圖
冷凝蒸發器有板翅式、列管式和盤管式三種結構形式。列管式冷凝蒸發器又可分為兩種：一種是液氧在管間沸騰、氣氮在管內冷凝；另一種是氣氮在管間冷凝、液氧在管內沸騰。
**種類型的冷凝器列管長度不超過1~1.2m。如果列管過長則管間液氧柱的靜壓將使液氧層下部液氧沸點升高，引起冷凝蒸發器溫差減小，或者下塔壓力升高。前者使傳熱惡化，后者使裝置能耗增加。因此列管都比較短，故又稱短管式冷凝蒸發器。
第二種冷凝蒸發器由于液氧在管內沸騰，形成氣、液兩相混合物，這種氣、液混合物的密度較小因而即使管長達到2.5~3.6m，液柱靜壓的影響也不大，這種冷凝蒸發器又稱長管式冷凝器。
3. 板翅式換熱器
板翅式換熱器是一種新型緊湊式熱交換器，我國從70年代研制成功并應用于大型空分設備，現己普及到石油化工、制冷、動力機械和國防工業等領域。在制造技術和產品質量已達到國際水平。
圖1-33板束結構
（1）板翅式換熱器的特點
①傳熱效率高 由于翅片對流擾動，強化了傳熱。強制對流空氣放熱系數35~350W/（m2.K），強制對流放熱油系數110~1700 W/（m2.K），水的沸騰放熱系數1700~W/（m2.K）。
②結構緊湊 單位體積傳熱面積比列管式大5倍以上，一般可達到1500~2500m2/m3。
③輕巧而牢固 由于翅片和隔片都很溥，通常又采用鋁合金制造，重量輕，僅為列管式換熱器的1/10左右。
④適應性大 能適用于多種介質之間換熱，且可作氣-氣，氣-液，液-液之間熱交換，也可作冷凝和蒸發。
⑤經濟性好 由于緊湊、體積小、又采用鋁合金制造，大大降低了投資費用，成本約列管式的50℅。
板翅式換熱器被廣泛地應用在空分設備中。它的設計制造水平以及采用的廣泛程度，也成為衡量空分設備制造水平的重要標志。當前大型空分設備的特點之一，是全部換熱器設備采用板翅式。由于采用了上述手段使設備熱容量減小，起動時間縮短，切換周期延長，切換損失減少，降低了能耗，提高了經濟性。
（2）板翅式換熱器的基本結構
板翅式換熱器的板束由翅片、導流片、封條和隔板等部分組成。如圖1-33所示，在相鄰二隔板之間放置翅片、導流片、封條組成一個通道，對其進行不同的疊積和適當的排列，釬焊成整體就可以得到常用的逆流、錯流、錯逆流板翅式換熱器板束如圖1-34。
a逆流板翅式換熱器 b錯流板翅式換熱器 c錯逆流板翅式換熱器
圖1-34板束流向示意圖
在板束兩端配置適當的流體出入口封頭（或集合器）組成一個完整的板翅式換熱器。這種換熱器的隔板為一次傳熱面，而翅片為二次傳熱面。
翅片是板翅式換熱器的基本元件之一，傳熱過程主要是依靠翅片來完成的。翅片還起著兩隔板之間的支撐作用，所以盡管翅片和隔板的材料都很薄，且能承受較高的壓力。翅片的厚度通常是0.2~0.6，隔板的厚度一般為1~2。
翅片常用的有平直、鋸齒、多孔三種型式，根據節距和高度的不同又有20種規格，其參數見下表。翅片選擇，需根據*高工作壓力、流體性能、允許壓降、流量和不同換熱要求等因素來考慮。一般在放熱系數大的場合，選用翅片較低、較厚為宜；放熱系數小的場合，選用翅片較高、較薄為宜。平直翅片的放熱系數和壓力損失較小；鋸齒翅片比平直翅片的放熱系數高30℅以上，且有利于水分和二氧化碳的凍結和清除；多孔翅片上孔洞使熱阻邊界層不斷發生斷裂，可提高傳熱性能，這種翅片常在流體進口分配段有相變（沸騰和冷凝）的場合；波紋翅片能增強流體的擾動，且可承受較高的工作壓力，常用于乙烯深冷分離的熱交換器中。
翅片型式
翅高H
（mm）
翅厚t
（mm）
翅距p
（mm）
當量直徑
De（mm）
通常截面積
fi（m2）
總傳熱面積
Fi（m2）
二次表面占
總面積之
比例（F2/F0）
用途
平直形
9.5
0.2
1.4
2.12
0.
15.0
0.885
氣
9.5
0.2
1.7
2.58
0.
12.7
0.861
氣
9.5
0.2
2.0
3.02
0.
11.1
0.838
氣
6.5
0.3
2.0
2.67
0.
7.9
0.758
液、冷凝、蒸發
4.7
0.3
2.0
2.45
0.
6.1
0.722
液
鋸齒形
9.5
0.2
1.4
2.12
0.
15.0
0.885
氣
9.5
0.2
1.7
2.58
0.
12.7
0.861
氣
6.5
0.2
2.0
2.80
0.
8.1
0.778
液、冷凝、蒸發
4.7
0.3
2.0
2.45
0.
6.1
0.722
液
多孔形
6.5
0.2
1.4
2.02
0.
10.26
0.833
液、冷凝、蒸發
6.5
0.2
1.7
2.42
0.
8.81
0.800
液、冷凝、蒸發
6.5
0.3
2.0
2.67
0.
7.28
0.766
液、冷凝、蒸發
4.7
0.3
2.0
2.45
0.
5.66
0.696
液
常用翅片特性參數表
式中：當量直徑De=（翅片內距x=p-t，翅片內高y=H-t）。
通道截面積是指有效寬度1m為每層通道的截面積。
傳熱面積是指有效寬度為1m，有效長度為1m，每層通道的傳熱面積。
通過上述基礎知識的學習和了解，對深冷空氣分離及分餾塔的基本理念和從理論上理解設備、流程將起到很好的作用。同時對提高實際操作技能也有非常大的幫助。實際制造過程的設計、工藝保證，還要復雜很多本章不作介紹。
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