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空分设备的换热一、换热的设备按原理分类，可分为三类：1、混合式换热：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。空分中水冷塔、空冷塔就属于这种类型。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)在将气量取出。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进行的。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、板翅式换热器及特殊型换热器。二、传热的基本方式热量从高温物体向低温物体传递有三种基本方式：即传导、对流、辐射。1、传导传热热传导亦称导热，是直接接触物体各部分之间的传热现象。①在液体和固体中热量的转移时依靠分子的碰撞。②固体金属主要依靠自由电子的运动。③气体则主要依靠分子的不规则运行。2、对流传热由于流体(液体或气体)本身流动，将热量从流体一部分传递到另一部分的现象称为对流传热。其热量是依靠流体流动的位移而进行的。3、辐射传热辐射是指热量不借任何介质传递，而直接由热源以电磁波形式辐射出来被另一物体部分或全部吸收而转变为热能。三、板翅式换热器板翅式换热器是一种全铝金属结构新型组合式间壁换热器。它结构紧凑，平均温差很小，在单位体积内的传热面积很大，传热效率高达98%~99%，同时使有色金属的消耗为零。而且启动快，实属高效新型换热器。1、板翅式换热器的结构板翅式换热器的板夹基本结构。如图：它由隔板、板片、封条三部分组成。板片的机构形式有：光直性版板片、锯齿形板片、多孔性板片。板夹要构成一个实际的换热器(叫一个单元)，还需要封条位置的布置。四、冷凝蒸发器冷凝蒸发器是联系上下塔的重要换热设备。(是产生相变的热换热设备)。常见的有板式和管式两种。它是由板式单元组合成的全铝结构容器。五、氮水预冷器氮水预冷器安装在保冷箱外是常温换热器。它的作用是利用污氮氮水的不饱和度冷却水，而后通过水在冷却加工空气体，即降低加工空气的温度，同时减少加工空气饱和含水量。其次，在空气冷却塔中，空气和水直接接触，即换热又受到洗涤，能够清除空气中的灰尘，溶解一些有腐蚀性的杂质气体，如H2S、SO2、SO3等，可避免板翅式可逆式换热器全铝合金材质的腐蚀，延长使用寿命。由于空气容积较大，对加工空气还起到缓冲作用，使空压机切换时不宜超压。饱和空气中水分含量只取决于温度，因此空气虽然经过的喷淋，但温度降低了，因此水分含量不是增加而是减少。这对分子筛吸附及其重要。通常分子筛纯化器吸附要求是加工空气入纯化器的温度为8~10℃，为此，空冷塔采用两级喷淋，一级为常温水，二级为喷淋用冷冻水，其水温为5℃左右。常温水经氟利昂制冷机冷却而成为冷冻水。影响氮水预冷器降低温效影响因素有很多。诸如：喷淋水量、喷淋设备结构、筛板孔径板数或者填料选择等。三、传热传质原理及设备一、概述1、热量传递的条件和方向凡是不同物体之间或同一物体不同部位存在温差(即t1-t2＞0)就有热传递，而热量传递总是自由的由高温物体传向低温物体。从上述得出结论：“凡有温差存在，就有热量传递”。2、换热器的分类工业上凡是热量由热流体传递给第六题的设备称作热交换，简称换热器。热交换的分类有很多方法。如按使用目的进行分类，可分为冷却器、加热器、蒸发器、冷凝器等按结构分：可分为管壳式散热器(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(它又分为铜、铝、钢)和非金属换热器(它又分为玻璃、陶瓷、塑料、石墨等)。空分设备按工作原理可分为：间壁式换热器、蓄热式换热器和混合式换热器三大类。3、低温换热器的特点①传热过程多数在小温差下进行。②要求流动阻力小。③气体温度接近饱和线时，物理性质变化较大，应采用积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的机械能力。⑤低温换热器应结构紧凑、体积小、质量小。⑥换热器跑冷损失直接影响设备情况，所以应采取有效保冷措施。二、液体流动与对流放热1、液体流动状态液体有两种不同流动状态——层流和紊流。①层流流体在管道内流动时，流体的平均速度不大，各流体微团彼此平行的分层流动，互不干扰混杂。层流时，流体速度沿管道直径是抛物线分布，管中心速度最大，沿曲线渐进管壁侧速度较小，直至为零，其平均速度为中心速度一半。②紊流随着流体平均速度增加到足够大时，各流体微团发生强烈的混合和掺杂，不仅沿着主流方向流动，而且还有垂直于主流方向的运动。2、影响对流放热因素①强制对流还是自然对流。②流体有无相变。③层流与紊流。④流体与壁面的相对位置。⑤流体特性。3、换热器的流动阻力由于流体粘性，流体流动时必须克服流体与壁面粘性力的作用，会产生压力差，称为压力损失。压力损失由消耗动力的压缩机或泵的压力予以补偿。压力损失的大小是设计和衡量换热器性能的主要指标之一。压力损失大小与流体状态、管径和流路长短有关。压力损失增加将导致上、下塔压力增高，最终使能耗增加。压力损失有两种：沿程压力损失(沿程阻力)和局部压力损失(局部阻力)。4、板翅式换热器的特点①传热效率高。传热系数比管壳式换热器高。②结构紧凑、单位体积换热面积是管壳式换热器的5倍以上，最大可达几十倍。③轻巧、牢固。④适应性大，可适应于多种介质的交换。⑤经济性好。由于结构紧凑，铝材轻，降低了设备投资费用。⑥流道易堵塞，维修困难，所以介质要求清洁、干净。4.1、板式换热器的结构①换热器的基本元件板式芯体有翅片、导流片、封条、隔板和侧板组成。在相邻两隔板之间放置翅片，导流片和封条组成一通道。隔板：主要用于传递热量和把介质分隔开来，也是承压主要元件。压力越高，隔板越厚。(0.8~2mm).封条：在四周起密封支撑作用。导流片：起流体的分配与汇集作用。侧板：是换热器最外侧平板，主要起保护作用和便于换热器支架和焊接。(5~6mm).翅片：是换热器最基本单元件，换热器的传热主要依靠翅片完成，同时承担两隔板之间支撑作用。5、自洁式过滤器自洁式过滤器由高校过滤筒、之氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室和出风口、框架等组成。过滤过程：在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。当空气穿过高效过滤筒时，粉尘由于重力、静电和接触等被阻留在滤筒外表面，净化空气进入气室，然后经出风管出。自洁过程：当电脑发出指令，电磁阀启动并驱动隔膜阀，瞬时释放一股压力为0.4~0.6MPa的脉冲气流，经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀从滤筒内均匀向外侧冲击，将积聚在滤筒表面的粉尘吸落，自洁过程完成。清灰控制有3中方式：(1)定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间；(2)差压自洁：当差压超过指标时，进入自动连续自洁。(3)手动自洁：当电控箱不工作或粉尘较多时，可采用手动自洁。反吹过程是间断的，每次仅1~2组处于自洁状态，其余仍在工作，所以具有在线自洁功能以保证连续工作。自洁式过滤器核心是部件过滤筒，采用高效防水、过滤低，经特殊工艺生产而成。自带前置过滤网，防止柳絮、树叶、废纸飞入，延长滤筒使用寿命。自洁式空气过滤器优点：①过滤阻力小②过滤效率高③适应性广④占地面积小⑤耗气小⑥结构简单⑦防腐性能好⑧日常维护工作量小(约两年左右更换滤筒，更换滤筒不需要停机)三、空气预冷系统1、流程：压缩后的高温空气进入空气冷却塔下部，由下向上穿过空气冷却塔的传质传热单元，依次与常温水泵和冷却水泵进行逆流接触而进行传质传热以达到冷却空气的目的，并除去大部分水溶性有害物质，如：NH3、HCl、SO2、NO2等。常温水由外界供给，冷却水由冷却塔供给。污氮气从水冷却塔底部进入，与水冷塔顶部进入的常温水充分接触，经热质交换，污氮气被增湿至接近饱和状态排入大气。于此同时，从水冷却塔顶部进入的常温水，被逆流而上的污氮气冷却，并因部分蒸发、大量的气化潜热被带走而降温，从水冷塔底部配出经低温水泵升压后，成为空气冷却塔上部的冷却水。设置冷水机组时，出空气冷却塔的空气温度可达8~10℃，不设冷水机组时，出空气冷却塔空气温度的高低主要取决于供水冷却塔氮气量的多少盒季节变化后的外界供水温度，一般在10~20℃之间。带冷水机组的空气预冷系统，在富余氮气量较少或者水质条件差的情况下应采用此流程。该流程在空气冷却塔中设置中心筒结构，上部分水在中心筒汇集后去水冷却塔形成封闭循环。优点：这种中部回水流程有利于防止空气冷却塔上段的填料及布水管喷淋孔结垢、对延长冷水机组使用寿命，降低空气冷却塔下段的喷淋强度负荷也有一定的好处。缺点：设置中部回水装置，使空气冷却塔高度增加2m左右，还需相应增加中心筒液体低位报警控制器以及低温冷却水系统补水阀。2、工作原理：空分设备的进气温度取决于季节、气候、安装地点和进入空分设备之前对空气的预冷程度。进气温度升高使得：(1)等温节流效应下降，膨胀空气量增大，产品能耗增加；(2)主热交换器的负荷增大；(3)空气净化系统设备的工作条件恶化；(4)空气中的含水量大大增加。所以采取降低空分设备进气温度，在技术和经济上都是合理的。该系统由空气冷却塔、水冷却塔、水泵三部分组成。由冷箱内的返流污氮气(或氮气)，除满足分子筛纯化再生所需要的一部分外，其余均从水冷却塔下部进入，由下向上穿过水冷却塔的塔板或填料层，与向下喷淋的水进行热质交换。由于污氮(氮气)对应于当地温度是不饱和的，所以有一部分水蒸发形成水蒸汽进入污氮中(氮气)，水蒸发时吸收大量潜热以及水与污氮(氮气)之间的热交换，使得水得到冷却。被冷却的水由水泵压送到空气冷却塔的顶部。水泵所需要的压头一是用来克服空气冷却塔与水冷塔之间的压差；二是用来克服水冷却塔底部到空气冷却塔顶部所需要的位差。在空气冷却塔中，由空压机来的压缩空气，进入空气冷却塔底部，由下向上穿过塔板和调料层。在这些气、液接触而上，压缩空气与逆流喷淋的冷却水进行热质交换，空气温度降低，空气中的水分含量减少。水蒸汽凝结成水后加入冷却水中。所以在空气冷却塔中，空气从下到上，温度降低，含水量减少；从上到下，温度升高，水量增加。而在水冷塔中，污氮(氮气)从下到上，温度升高，含水量增大；水从上到下温度降低，水量减少。影响水冷却塔降温效果的因素有很多的。如：喷淋水量，喷淋设备结构及填料传热传质的效率等等，但其中最关键的因素是水—气比，即喷淋水量与气体流量比值。因为污氮(氮气)中的饱和含水量有一定的限度的。所以在水冷却塔中水温能够降低的程度，首先取决于水—气比。如果忽略了这个基本原理，对水冷却塔的喷淋水量不加节制，其结果是大大降低了水冷却塔的冷却效果。水冷却塔和空气冷却塔的冷端温差与喷淋关系：△t/s℃1612空气冷却塔840-40.250.50.7511.251.5W/(103m3/m3)△t/s℃40-4水冷却塔-8-12-160.250.50.7511.251.5W/(10-3m3/m3)如图可知：在喷淋水量大于一定值时(例如0.6×10-3m3/m3)，空气冷却塔的冷端温差趋于0℃，而在水量小于0.6×10-3m3/m3时，冷端温差逐渐增大。随着喷淋水量的减少与进空气冷却塔时压缩空气温度的升高，温差绝对值增大。在水冷却塔中，喷淋水量小于0.6×10-3m3/m3时，冷端截面水的温度可以低于污氮(氮气)的温度，水冷却塔的冷端温差出现了负值。在水冷却塔中，喷淋水量(作为热工质)越少，测传热温差越大，喷淋水量有可能被冷却到更低的温度。在空气冷却塔中，喷淋水量(作为冷工作质)越多，压缩空气越有可能被冷却到更低的温度。但从整套空气预冷系统来说，应该看它的综合效果，就是对于出空气冷却塔的压缩空气有一个可能的最低值，此时应有一个喷淋水量的最佳值与其对应。在阻力一定的情况下，水冷却塔的运行压力决定于当地大气压。大气压越低，污氮(氮气)饱和含水量越大，而水冷却塔单位制冷量越大。含水量g/kg50污氮压力饱和含水量4020大气压力/kpa708090100W(103m3/m3)制冷量kw/100m3340320水冷却塔单位制冷量与大气压力300280260大气压力/kpa85889194971003、冷却塔空气冷却塔和水冷塔的结