恒溫槽的技術(shù)原理(換熱篇)

前景提要

　　此前已有文章對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)做了簡單闡述，明確了流體物性及管道阻力會(huì)對(duì)換熱流體(無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：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?

　　今天我們來聊一聊熱交換 。

　　熱交換的方式有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流 和熱輻射。

　　簡單講，熱傳導(dǎo)就是冬天手摸鐵棒，隨著時(shí)間增長，冷的鐵棒也逐漸熱起來了，跟人手的溫度逐漸一致，并且在手摸的區(qū)域附近逐漸向兩端都熱起來了;

　　熱對(duì)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，人既沒有接觸太陽，也沒有和太陽變成一體，但是我們可能感受到太陽的熱。

　　由此可見，熱傳導(dǎo)需要兩者接觸但不混合，熱對(duì)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(yàn)過程中，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，在上述過程中，冷、熱流體各自內(nèi)部存在熱對(duì)流，冷流體、間壁、熱流體三者兩兩接觸的區(qū)域則為熱傳導(dǎo)，整個(gè)過程中沒有熱輻射。要想冷、熱流體內(nèi)部的溫度能夠快速達(dá)到一致，那么必然要加大熱對(duì)流的效率。而加強(qiáng)熱對(duì)流最好的方式是加強(qiáng)流體內(nèi)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(cuò)位流動(dòng)的錯(cuò)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(cè)的物料狀態(tài)以及反應(yīng)熱參數(shù)或熱源參數(shù)，我們可以獲得總熱量，若不考慮反應(yīng)吸放熱及內(nèi)熱源的情況下，那么可以根據(jù)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(jì)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(yù)期的升降溫時(shí)間即可獲得熱功率，若為換熱器內(nèi)的連續(xù)換熱過程，物料質(zhì)量應(yīng)為質(zhì)量流速，及kg/s，因此獲得的熱量q即為換熱功率。對(duì)于間壁式換熱，在計(jì)算換熱過程中需要考慮實(shí)際換熱過程的換熱面積以及傳熱系數(shù)，因此可以以下公式計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

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

　　換熱面積A隨著設(shè)備制造完成，就已經(jīng)確定，可以認(rèn)為是定值；總傳熱系數(shù)K受到換熱間壁材質(zhì)、尺寸及壁面兩側(cè)污垢、壁面兩側(cè)流體形態(tài)的影響，當(dāng)兩側(cè)流體流速等確定的情況下，K也可以認(rèn)為定值；由此可見，通過流體的入口溫度，拉大兩側(cè)溫度的溫差，即可實(shí)現(xiàn)更大的換熱量，因此可認(rèn)為 溫差 是換熱過程的最大驅(qū)動(dòng)力也是唯一驅(qū)動(dòng)力。

總傳熱系數(shù)K如何獲得呢？

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

　　其中，K：總傳熱系數(shù)，W/(m2·K);α1：外側(cè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K);α2：內(nèi)側(cè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K);λ：間壁熱導(dǎo)率，W/(m2·K);b：壁厚，m。

　　由此可見，總傳熱系數(shù)收到兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)、間壁熱導(dǎo)率和壁厚的共同影響。間壁熱導(dǎo)率相對(duì)固定，如下表所示有一部分常見材料的熱導(dǎo)率：

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

對(duì)流傳熱系數(shù)怎么獲得？

　　熱導(dǎo)率是材質(zhì)物性，那么對(duì)流傳熱系數(shù)又要如何獲得呢？對(duì)流傳熱系數(shù)可以通過以下方法獲得：

　　其中：λ：流體熱導(dǎo)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，流體的對(duì)流傳熱系數(shù)與流體動(dòng)力學(xué)直接相關(guān)，需要謹(jǐn)慎選擇合適的冷卻介質(zhì)。

　　通過上面冗長的分析，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(shè)備。

END

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