翅片管换热器基础资料.doc

第五讲 热物性参数和单位
主讲人：哈尔滨工业大学刘纪福教授
在第四讲中，介绍了与翅片管相关的计算式，其中，多次应用流体的物性参数，如流体的密度，粘度，导热系数，等等。每一种流体都有它自己的独特的物理参数，就像生物科学中的“基因”一样，这些物性参数构成了流体本身区别于其它流体的特性。例如，大家所熟知的空气和水，物理性质是截然不同的，拿密度而言，在常温下水的密度为1000 kg/m3; 而空气的密度仅为1.2 kg/m3 .左右。与热有关的物性叫热物性，由于流体的热物性对传热和阻力都有极大的影响，而且是计算和设计中不可缺少的数据，因而本讲将要介绍几种常用流体的热物性参数。应当指出，几乎所有的物性参数都是通过大量的细致的实验得出来的，并有相关的专著可供选用。
1 空气，烟气，水，水蒸气的热物理性质表。
考虑到翅片管换热器的应用特点，管外翅片侧主要与空气或烟气打交道，而管内流动的主要是水和水蒸气，偶尔也有其他流体，如制冷剂等。所以下面给出的热物性表基本上能满足翅片管换热器的计算要求。
见下面相关附录
附录8 干空气的热物理性质
附录9 大气压力下烟气的热物理性质
附录10 饱和水的热物理性质
附录11 干饱和水蒸气的热物理性质
附录13 几种饱和液体的热物理性质

上表适用于1个大气压（ 100000 Pa ）下的空气对于在管道中流动的空气，在鼓风机或引凤机的作用下，其压力可能在大气压上下波动，但一般波动幅度不超过1个大气压的1%，故上表仍是适用的。

2几个常用单位的说明
（1）力的单位。从中学物理知道，力= 质量×加速度，对于1 kg 质量的物体，当其加速度为1 m / s2 时，就构成了力的单位：牛顿（ N ）,所以，
1 N = 1 kg ×1 m/s2 = 1 kg.m /s2 .
( 2 ) 压力或压强单位为Pa：因为 压力=力 / 面积，即单位面积上承受的力，所以 1 Pa = 1 N / 1 m2 = 1 kg / ( m s2 .).;
应该记住，1 个大气压= 100000 Pa = 105 Pa.= 0.1 MPa (兆帕)
(3) 功 ，能量，热量的单位。由中学物理可知，功 = 力 ×距离，单位是焦耳（J），
1 J = 1 N ×1 m = 1 kg.m2 / s2 .
应当记住，热量是能量的一种，其单位同样是焦耳（J），或千焦耳（KJ）
(4) 功率的单位。单位时间做的功叫功率，其单位是我们所熟知的瓦（W），
1 W = 1 J / s ， 或 1 KW = 1 KJ / s
（5）目前，工程上经常用千卡或大卡（Kcal）作为热量的计量单位。1 千卡的物理含义是：1公斤的水温度升高1度或降低1度所吸收或放出的热量。这一工程单位正逐渐被国际单位千焦（KJ）所代替。二者的换算关系为：
1 KJ = 0.2388 Kcal 或 1 Kcal = 4.1868 KJ
1 KW. = 1 KJ /s = 0.2388 Kcal /s = 860 Kcal /h
例如，有一台锅炉，热负荷为 1200000 Kcal / h , 其对应的KW数为：
1200000 / 860 = 1395 KW ≈2×700 KW = 1.4 MW ( 1 MW = 106 W).
3物性表的应用举例：
对于没有学过相关专业课程的人士，要掌握各物性的含义并正确地应用是有一定困难的，只能循序渐进地熟悉它。下面，通过几个小例子来练习一下：
（1）有一热风炉，所产生的热风在200℃时的体积流量为40000m3/h, 试将其换算成质量流量kg/h.
由上面的空气物性表查得在200℃下的空气密度ρ=0.746 kg/m3, 则空气的质量流量为：G = 40000 m3/h×0.746 kg/m3 = 29840 kg/h = 8.29 kg / s ..
进一步将上述质量流量换算成0℃下的体积流量，即标准立方米每小时（Nm3/h）。
由上表查得，在0℃下的空气密度为ρ=1.293 kg/m3，则在标准状况下的体积流量为：
V = 29840 kg/h ÷ 1.293 kg/m3 = 23078 Nm3/h.
请记住，质量流量（kg/ h）或标准体积流量（Nm3/h）在流体的流动和换热过程中是保持不变的，是不随温度而变化的。
(2) 在物性表中，有一个与热量计算有关的物理量----比热Cp, KJ / (kg.℃) .其物理意义从单位的表述中可以得知：1kg 质量的物体，当温度产生1 ℃ 的变化时，该物体含有的热能的变化（KJ）.
试问，对于1kg 的 800℃ 的高温烟气，其含有的热能是多少？由烟气物性表查得，800℃ 下‘’的比热Cp = 1.264KJ / (kg.℃) ，则1kg烟气所包含的热能为：800℃×1.264 KJ / (kg.×℃) = 1011.2 KJ / kg 。
如果在经过换热器之后，烟气的温度降至200℃，问这时该1kg烟气所包含的热能是多少？首先，查取200℃时的烟气比热Cp = 1.097KJ / (kg.℃), 则1kg烟气的热能为：200℃×1.097 KJ / (kg.℃)=219.7 KJ / kg 。
（3）在饱和水的热物理性质表中，应当关注的是饱和温度（t ℃）和饱和压力（Ｐａ）的对应关系。所谓饱和状态，是指在一个只有水和水蒸汽共存的密闭容器中，在这一对应的饱和温度和饱和压力下，液体变成蒸汽的分子数等于蒸汽变成液体的分子数，即处于相对的平衡状态。
试问，一台产生０.６ＭＰａ饱和蒸汽的锅炉，其蒸汽的出口温度是多少？
由水蒸汽热物性表查得，0.6ＭＰａ对应的蒸汽温度约为158℃。
（4）在饱和水和饱和水蒸气的热物性表中，还应当关注的是两个热焓值：饱和水的热焓h’和饱和蒸汽的热焓 h，， ，其单位为 KJ/kg，物理意义是一公斤质量的介质所包含的热能，热能的计算起点是0℃。例如，100℃下水的焓值h‘ = 419.1 KJ/kg， 而100℃下水蒸气的焓值为h，， = 2675.7 KJ/kg， 二者的差值： 2675.7- 419.1= 2256.6 KJ/kg = r 。此处，r 叫汽化潜热，是水蒸气热物性表中的另一个重要物理量。
好了，这一讲就讲到这儿，物性和单位在以后各讲中会经常用到，慢慢就熟悉了。下面有一个思考题：有人说，他发明了一种热管介质，在水中加入了少量的缓蚀剂之后，这种介质可以承受各种热源温度，甚至在1200℃下，热管内部压力不超过2公斤，即不超过2×105 Pa ，您认为有可能吗？