No.1背景意義

此前已有文章對流體流動狀態(tài)做了簡單闡述，明確了流體物性及管道阻力會對換熱流體（無論是冷流體還是熱流體）產(chǎn)生一定的流動影響。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)、熱對流 和熱輻射。

簡單講，熱傳導(dǎo)就是冬天手摸鐵棒，隨著時間增長，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，熱對流需要兩者接觸并混合，熱輻射不需要兩者接觸及混合。

No.2逆流間壁式換熱

在實驗過程中，往往需要冷熱介質(zhì)進行熱交換進行降溫（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(nèi)的湍動能，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的順流換熱、兩相成十字狀錯位流動的錯流換熱和兩相相反方向流動的逆流換熱。上述三種換熱模式下，逆流換熱 的效率最高。

如圖1所示為一個常見的逆流間壁式換熱的示意圖：

圖一

No.3怎么知道能量有多高呢

在實際過程中，往往需要知道實際需要提供（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。對于間壁式換熱，在計算換熱過程中需要考慮實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，當兩側(cè)流體流速等確定的情況下，K也可以認為定值；由此可見，通過流體的入口溫度，拉大兩側(cè)溫度的溫差，即可實現(xiàn)更大的換熱量，因此可認為 溫差 是換熱過程的最大驅(qū)動力也是唯一驅(qū)動力。

No.4總傳熱系數(shù)K如何獲得？

大家肯定會好奇總傳熱系數(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)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；α2：內(nèi)側(cè)流體對流傳熱系數(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)率相對固定，如下表所示有一部分常見材料的熱導(dǎo)率：

*前文提到過，所有的物性都是溫度的函數(shù)，因此熱導(dǎo)率也是需要考慮材料所處溫度。

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。

No.5對流傳熱系數(shù)怎么獲得

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

其中：

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，流體的對流傳熱系數(shù)與流體動力學(xué)直接相關(guān)，需要謹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合適的恒溫槽以及如何選擇一個合適的熱交換設(shè)備。

END

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