恒溫槽的技術(shù)原理(換熱篇)

前景提要

　　此前已有文章對流體流動(dòng)狀態(tài)做了簡(jiǎn)單闡述，明確了流體物性及管道阻力會(huì )對換熱流體(無(wú)論是冷流體還是熱流體)產(chǎn)生一定的流動(dòng)影響。有同學(xué)肯定不禁想問(wèn)：我是想要給物料降溫(或者加熱)，跟我的物料怎么流動(dòng)有什么關(guān)系呢?

　　今天我們來(lái)聊一聊熱交換 。

　　熱交換的方式有三種：熱傳導、熱對流 和熱輻射。

　　簡(jiǎn)單講，熱傳導就是冬天手摸鐵棒，隨著(zhù)時(shí)間增長(cháng)，冷的鐵棒也逐漸熱起來(lái)了，跟人手的溫度逐漸一致，并且在手摸的區域附近逐漸向兩端都熱起來(lái)了;

　　熱對流就是把冷水和熱水倒在一起攪一攪，變成一杯溫度上下都一樣的水;熱輻射就是曬太陽(yáng)，人既沒(méi)有接觸太陽(yáng)，也沒(méi)有和太陽(yáng)變成一體，但是我們可能感受到太陽(yáng)的熱。

　　由此可見(jiàn)，熱傳導需要兩者接觸但不混合，熱對流需要兩者接觸并混合，熱輻射不需要兩者接觸及混合。

逆流間壁式換熱

　　在實(shí)驗過(guò)程中，往往需要冷熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換進(jìn)行降溫(或者加熱)，而冷、熱兩種物流之間并非相互接觸，兩者之間有金屬或玻璃或其他材質(zhì)的間壁做分隔。因此，在上述過(guò)程中，冷、熱流體各自?xún)炔看嬖跓釋α?，冷流體、間壁、熱流體三者兩兩接觸的區域則為熱傳導，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有熱輻射。要想冷、熱流體內部的溫度能夠快速達到一致，那么必然要加大熱對流的效率。而加強熱對流最好的方式是加強流體內的湍動(dòng)能，即讓流體處于湍流狀態(tài)或有外力促使流體返混(例如攪拌)。

　　常見(jiàn)的兩相流體的間壁式換熱模式下，往往有兩相同方向流動(dòng)的順流換熱、兩相成十字狀錯位流動(dòng)的錯流換熱和兩相相反方向流動(dòng)的逆流換熱。上述三種換熱模式下，逆流換熱 的效率最高。

　　如圖1所示為一個(gè)常見(jiàn)的逆流間壁式換熱的示意圖：

怎么知道能量有多高呢？

　　在實(shí)際過(guò)程中，往往需要知道實(shí)際需要提供（或被移走）的能量有多高，基于該側的物料狀態(tài)以及反應熱參數或熱源參數，我們可以獲得總熱量，若不考慮反應吸放熱及內熱源的情況下，那么可以根據物料所需升溫（或者降溫）的初始溫度和最終溫度以及物料物性，我們可以用以下公式計算得到熱量：

　　其中，q：熱量，J;c：物料的比熱，J/(kg·K);m：物料質(zhì)量，kg;Δt：溫差，即Δt=t2-t1，°C或K。

　　將總換熱量除以預期的升降溫時(shí)間即可獲得熱功率，若為換熱器內的連續換熱過(guò)程，物料質(zhì)量應為質(zhì)量流速，及kg/s，因此獲得的熱量q即為換熱功率。對于間壁式換熱，在計算換熱過(guò)程中需要考慮實(shí)際換熱過(guò)程的換熱面積以及傳熱系數，因此可以以下公式計算相關(guān)參數。

　　其中，Q：總換熱功率，W；K：總傳熱系數，W/(m2·K)；A：換熱面積，m2；Δtm：溫差，°C或K。

　　換熱面積A隨著(zhù)設備制造完成，就已經(jīng)確定，可以認為是定值；總傳熱系數K受到換熱間壁材質(zhì)、尺寸及壁面兩側污垢、壁面兩側流體形態(tài)的影響，當兩側流體流速等確定的情況下，K也可以認為定值；由此可見(jiàn)，通過(guò)流體的入口溫度，拉大兩側溫度的溫差，即可實(shí)現更大的換熱量，因此可認為 溫差 是換熱過(guò)程的最大驅動(dòng)力也是唯一驅動(dòng)力。

總傳熱系數K如何獲得呢？

　　大家肯定會(huì )好奇總傳熱系數K是如何獲得的，那么就來(lái)具體看一看：

　　其中，K：總傳熱系數，W/(m2·K);α1：外側流體對流傳熱系數，W/(m2·K);α2：內側流體對流傳熱系數，W/(m2·K);λ：間壁熱導率，W/(m2·K);b：壁厚，m。

　　由此可見(jiàn)，總傳熱系數收到兩側流體的對流傳熱系數、間壁熱導率和壁厚的共同影響。間壁熱導率相對固定，如下表所示有一部分常見(jiàn)材料的熱導率：

　　從上表可以看到，金屬材料的熱導率明顯優(yōu)于非金屬材料，而像泡沫之類(lèi)的材料熱導率極差，那么這么差的熱導率，它可以用來(lái)做什么呢？答案是保溫。也就是說(shuō)熱導率高，我們可以用來(lái)作為導熱元器件，熱導率低，我們可以作為保溫材料。

對流傳熱系數怎么獲得？

　　熱導率是材質(zhì)物性，那么對流傳熱系數又要如何獲得呢？對流傳熱系數可以通過(guò)以下方法獲得：

　　其中：λ：流體熱導率，W/(m·K);d：流體流通的管徑，m;u：流速，m/s;ρ：流體密度，kg/m3;μ：流體粘度，Pa·s;cp：流體定壓熱容，J/(kg·K)。

　　綜上可見(jiàn)，流體的對流傳熱系數與流體動(dòng)力學(xué)直接相關(guān)，需要謹慎選擇合適的冷卻介質(zhì)。

　　通過(guò)上面冗長(cháng)的分析，已經(jīng)可以核算如何選擇一個(gè)合適的恒溫槽以及如何選擇一個(gè)合適的熱交換設備。

END

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