Hur fungerar värmeöverföring?

Värmeöverföring har två syften i traditionell industri:

För det första, för att främja värmeöverföring, såsom värme- eller kylmaterial, är syftet att förbättra värmeöverföringen, förbättra utrustningens värmeöverföringseffektivitet, minska utrustningens storlek och minska utrustningskostnaderna;
För det andra, för att försvaga värmeöverföringen och minska värmeförlusten, såsom isolering av högtemperaturutrustning, lågtemperaturutrustning och vätsketransportledningar, ju lägre värmeöverföringshastighet, desto bättre.

På grund av olika värmeväxlingsändamål och produktionsförhållanden är värmeväxlingsmetoderna också olika. De vanligaste värmeväxlingsmetoderna i industriella produktionsprocesser kan delas in i tre typer, nämligen: mellanskiktsvärmeväxling, direkt blandad värmeväxling och värmelagringsvärmeväxling.

(1) Värmeväxling mellan skikt

I en mellanskiktsvärmeväxlare finns de kalla och varma vätskorna på båda sidor om värmeväxlarens vägg, och den heta vätskan överför värme till den kalla vätskan genom mellanskiktet. Partition värmeväxling används ofta i kemisk produktion. Värmeväxlare som tillhör denna kategori inkluderar: mantlade värmeväxlare, serpentinvärmeväxlare, skal-och-rörvärmeväxlare, skal-och-rörvärmeväxlare och plattvärmeväxlare.

(2) Direkt blandande värmeväxling

Direkt blandningsvärmeväxling är att direkt komma i kontakt med den heta vätskan med den kalla vätskan och utbyta värme under blandningsprocessen av vätskorna. Denna form av värmeväxling används främst för gaskylning och ångkondensering. Till exempel i kyltornet i en kemisk anläggning blandas varmvatten och luft direkt för värmeväxling. Luften absorberar värmen från vattenförångning och sänker vattnets temperatur.

(3) Värmelagringsvärmeväxling

Värmelagringsvärmeväxling är att installera en värmelagringskropp (fast fyllmedel) i värmeväxlaren och använda värmelagringskroppen för att ackumulera och frigöra värme för att uppnå syftet med värmeväxling mellan kalla och heta vätskor. Under drift tillåts den varma vätskan först passera genom den termiska lagringskroppen för att lagra värme på den termiska lagringskroppen, och sedan tillåts den kalla vätskan att strömma genom den termiska lagringskroppen, och den termiska lagringskroppen överför värme till kylan vätska.

Temperaturskillnaden mellan varma och kalla vätskor är en nödvändig förutsättning för spontan värmeöverföring. Värmeöverföring kan endast utföras när det finns en temperaturskillnad på båda sidor om värmeväxlarens värmeöverföringsvägg. Temperaturskillnaden vid varje position av värmeväxlaren är inte nödvändigtvis stabil. Huruvida temperaturskillnaden är stabil beror på stabiliteten i produktionsprocessen.

1) Stabil värmeöverföring

I värmeväxlarsystemet, om temperaturen i varje värmeöverföringsläge inte ändras med tiden, kallas värmeöverföringen av systemet stabil värmeöverföring. I den stabila värmeöverföringsprocessen ändras inte värmeöverföringshastigheten för varje varmpunkt med tiden. Denna typ av värmeöverföringsprocess sker i den kontinuerliga produktionsprocessen. Till exempel: i det kontinuerliga och stabila skedet av produktionsprocessen är tillgången på råvaror eller återvinningen av produkter stabila, då kan temperaturen vid varje position i värmeväxlingsprocessen anses vara konstant, vilket hör till stabil värme överföra.

2) Instabil värmeöverföring

I värmeväxlarsystemet, om temperaturen för varje värmeöverföringsposition ändras med tiden, kallas värmeöverföringen av systemet instabil värmeöverföring. I den instabila värmeöverföringsprocessen ändras värmeöverföringshastigheten för varje varmpunkt med tiden. Denna typ av värmeöverföringsprocess sker i uppstarts- och avstängningsskeden av intermittenta produktionsprocesser eller kontinuerlig produktion. Till exempel: under uppstart eller avstängning av en produktionsprocess ökar eller minskar temperaturen vid varje position av värmeväxlingsprocessen gradvis på grund av den gradvisa ökningen eller minskningen av produktionsbelastningen, vilket är en instabil värmeöverföringsprocess.

Enligt termodynamikens andra lag överförs värme alltid automatiskt från ett objekt med högre temperatur till ett objekt med lägre temperatur. Endast under förutsättning att det konsumerar mekaniskt arbete kan värme överföras från ett lågtemperaturobjekt till ett högtemperaturobjekt.
De grundläggande metoderna för värmeöverföring är värmeledning, värmekonvektion och värmestrålning. En värmeöverföringsprocess existerar ofta inte ensam i en viss värmeöverföringsmetod, utan en kombination av två eller tre värmeöverföringsmetoder. Värmeöverföringsmetoden är annorlunda om strukturen och det termiska rörelsetillståndet för värmeväxlingsmediet är olika.

1) Värmeledning

Värmeledning är processen att överföra värme från den högre temperaturdelen av ett objekt till den lägre temperaturdelen på grund av rörelsen av molekyler, atomer eller fria elektroner av ett ämne. Värmeledning är en värmeöverföringsmetod i ett stationärt objekt, kännetecknat av frånvaron av makroskopisk förskjutning mellan ämnen. Alla föremål, oavsett om det finns relativ förskjutning av partiklar inuti dem, kommer oundvikligen att genomgå värmeledning så länge det finns denna temperaturskillnad. Ur ett mikroskopiskt perspektiv är värmeledning ett värmeöverföringsfenomen som orsakas av den termiska rörelsen av mikroskopiska partiklar som molekyler, atomer och fria elektroner i ett ämne. I en gas eller vätska är den kinetiska energin för molekyler i högtemperaturzonen större än för molekyler i lågtemperaturzonen. Molekyler med olika kinetiska energier kolliderar med varandra, vilket gör att värme strömmar från högtemperaturzonen till lågtemperaturzonen. I icke-metalliska fasta ämnen överförs värme huvudsakligen genom termisk vibration och kollision av intilliggande molekyler; i metaller uppnås värmeledning främst genom förflyttning av fria elektroner.

2) Termisk konvektion

Termisk konvektion hänvisar till värmeöverföringen som orsakas av den relativa förskjutningen av partiklar i varje del av vätskan. Konvektionsprocessen åtföljs ofta av värmeledning. Vid kemisk produktion brukar värmeöverföringen mellan vätskan och den fasta väggen kallas konvektionsvärmeöverföring. Konvektionsvärmeöverföring delas in i forcerad konvektion och naturlig konvektion. Om vätskans rörelse orsakas av yttre kraft kallas det forcerad konvektion, såsom: att använda pumpar, fläktar, omrörning etc. för att få vätskan att konvektion och överföra värme. Om vätskans rörelse orsakas av de olika densiteterna hos de kalla och varma delarna inuti vätskan, kallas det naturlig konvektion. Forcerad konvektion värmeöverföring är bättre än naturlig konvektion.

(3) Termisk strålning

Termisk strålning avser den process där ett föremål genererar elektromagnetiska vågor på grund av värme och överför energi till omvärlden. Vilket föremål som helst, så länge dess temperatur är högre än den termodynamiska temperaturen noll, kommer kontinuerligt att utstråla energi till omvärlden utan behov av något medium. Samtidigt absorberar den kontinuerligt strålningsenergi från andra föremål i omvärlden och omvandlar den till termisk energi. Därför är strålningsvärmeöverföring inte bara en process för energiöverföring, utan åtföljs också av energiomvandling. Ju högre temperatur föremålet har, desto mer energi överförs i form av strålning.

I industriell produktion används ofta värmeväxling mellan två processvätskor i värmeväxlingsprocessen. Dessutom krävs ytterligare ett värmemedel (värmemedium) eller kylmedel (kylmedium) för att delta i värmeväxlingen för att tillföra eller ta bort värme.

1. Vanligt använda värmemedel
Vanligt använda värmemedel inom industrin inkluderar mättad och vattenånga, varmvatten, mineralolja, bifenylblandningar, smält salt och rökgas. Om värmetemperaturen är mycket hög kan elvärme användas.

1) Mättad vattenånga

Mättad vattenånga är det mest använda värmemedlet. Eftersom den konvektiva värmeöverföringskoefficienten för mättad vattenånga är mycket hög när den kondenseras, kan ångtrycket ändras för att exakt justera uppvärmningstemperaturen. Men när temperaturen på mättad vattenånga överstiger 180 grader krävs ett mycket högt tryck. Därför används mättad ånga i allmänhet endast vid tillfällen där uppvärmningstemperaturen är mellan 100 och 180 grader.

2) Rökgas

Rökgasen som erhålls genom bränsleförbränning har en mycket hög temperatur, som kan nå 500 till 1000 grader. Den är lämplig för uppvärmning som kräver högre temperatur. Nackdelarna med uppvärmning med rökgas är dess låga specifika värmekapacitet, svårighet att kontrollera och låga konvektiv värmeöverföringskoefficient.

3) Varmvatten

Varmvatten används som värmemedel. Dess tillämpliga temperaturområde är 40 till 100 grader. Varmvattnet kommer från kondensvattnet av vattenånga eller spillvärmen från spillvarmvatten.

(4) Mineralolja

Mineralolja är lämplig för uppvärmning under 250 grader. Dess nackdelar är hög viskositet, låg konvektiv värmeöverföringskoefficient och enkel nedbrytning och förbränning över 250 grader.

5) Smält salt

Sammansättningen av smält salt är 7% NaNO3, 40% NaNO2, 53% KNO3. Dess tillämpliga temperaturintervall är 142-530 grader, uppvärmningstemperaturen är hög och uppvärmningen är jämn.

6) Bifenylblandning

Det tillämpliga temperaturintervallet för bifenylblandningsvätska är 15-255 grader och dess ånga är tillämpligt inom området 255-3800 grader. Det tillämpliga temperaturområdet är brett och temperaturen är lätt att justera när den värms upp med dess ånga.

2. Vanligt använda kylmedel
Vanligt använda kylmedel inom industrin inkluderar vatten, luft och olika kylmedel.

1) Vatten

Vatten är den mest använda kylvätskan. Det kan komma från naturen och behöver ingen speciell bearbetning. Det vanliga tillämpliga temperaturintervallet är 10-35 grader. Vatten har en hög specifik värmekapacitet och en hög konvektiv värmeöverföringskoefficient. Den har en bra kyleffekt och är lätt att justera. För att förhindra skalning bör temperaturen inte överstiga 35 grader.

2) Luft

I områden där vattenresurserna är knappa kan luft användas som kylmedel. Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten för luft är liten och värmeöverföringsprestanda är dålig. Den är lämplig för värmeväxling vid en kylningstemperatur på 0-35 grader.

3) Fryst saltlake

Om vätsketemperaturen behöver kylas till en lägre temperatur måste en lågtemperaturkylarvätska användas. Vanligt använda lågtemperaturkylmedel inkluderar frusen saltlösning (CaCl₂, NaCl-lösning), som kan kyla materialet till en temperatur på minus tio grader Celsius eller till och med minus dussintals grader Celsius. Det vanligaste temperaturintervallet är {{0}} till 0 grader . Om djupkylning krävs kan avdunstning av vissa vätskor med låg kokpunkt användas för att uppnå syftet.