Com funciona la transferència de calor?

La transferència de calor té dues finalitats a la indústria tradicional:

En primer lloc, per promoure la transferència de calor, com ara materials de calefacció o refrigeració, l'objectiu és millorar la transferència de calor, millorar l'eficiència de transferència de calor dels equips, reduir la mida de l'equip i reduir els costos de l'equip;
En segon lloc, per debilitar la transferència de calor i reduir la pèrdua de calor, com ara l'aïllament d'equips d'alta temperatura, equips de baixa temperatura i canonades de transport de fluids, com més baixa sigui la velocitat de transferència de calor, millor.

A causa dels diferents propòsits d'intercanvi de calor i condicions de producció, els mètodes d'intercanvi de calor també són diferents. Els mètodes d'intercanvi de calor utilitzats habitualment en els processos de producció industrial es poden dividir en tres tipus, a saber: intercanvi de calor entre capes, intercanvi de calor mixt directe i intercanvi de calor d'emmagatzematge de calor.

(1) Intercanvi de calor entre capes

En un intercanviador de calor entre capes, els fluids freds i calents es troben a banda i banda de la paret de l'intercanviador de calor i el fluid calent transfereix calor al fluid fred a través de la capa intermedia. L'intercanvi de calor de partició s'utilitza àmpliament en la producció química. Els intercanviadors de calor que pertanyen a aquesta categoria inclouen: intercanviadors de calor amb camisa, intercanviadors de calor de serpentina, intercanviadors de calor de carcassa i tub, intercanviadors de calor de carcassa i tub i intercanviadors de calor de plaques.

(2) Intercanvi de calor de mescla directa

L'intercanvi de calor de mescla directa consisteix en contactar directament el fluid calent amb el fluid fred i intercanviar calor durant el procés de mescla dels fluids. Aquesta forma d'intercanvi de calor s'utilitza principalment per a la refrigeració de gas i la condensació de vapor. Per exemple, a la torre de refrigeració d'una planta química, l'aigua calenta i l'aire es barregen directament per a l'intercanvi de calor. L'aire absorbeix la calor de la vaporització de l'aigua i redueix la temperatura de l'aigua.

(3) Intercanvi de calor d'emmagatzematge tèrmic

L'intercanvi de calor d'emmagatzematge tèrmic consisteix a instal·lar un cos d'emmagatzematge tèrmic (farciment sòlid) a l'intercanviador de calor i utilitzar el cos d'emmagatzematge tèrmic per acumular i alliberar calor per aconseguir el propòsit d'intercanvi de calor entre fluids freds i calents. Durant el funcionament, primer es deixa passar el fluid calent a través del cos d'emmagatzematge tèrmic per emmagatzemar calor al cos d'emmagatzematge tèrmic, i després es deixa que el fluid fred flueixi a través del cos d'emmagatzematge tèrmic i el cos d'emmagatzematge tèrmic transfereix calor al fred. fluid.

La diferència de temperatura entre els fluids calents i freds és una condició necessària per a la transferència de calor espontània. La transferència de calor només es pot dur a terme quan hi ha una diferència de temperatura a ambdós costats de la paret de transferència de calor de l'intercanviador de calor. La diferència de temperatura a cada posició de l'intercanviador de calor no és necessàriament estable. Que la diferència de temperatura sigui estable depèn de l'estabilitat del procés de producció.

1) Transferència de calor estable

Al sistema d'intercanviador de calor, si la temperatura de cada posició de transferència de calor no canvia amb el temps, la transferència de calor del sistema s'anomena transferència de calor estable. En el procés de transferència de calor estable, la velocitat de transferència de calor de cada punt calent no canvia amb el temps. Aquest tipus de procés de transferència de calor es produeix en el procés de producció continu. Per exemple: en l'etapa contínua i estable del procés de producció, el subministrament de matèries primeres o la recuperació de productes són estables, llavors la temperatura a cada posició del procés d'intercanvi de calor es pot considerar constant, que pertany a la calor estable. transferència.

2) Transferència de calor inestable

Al sistema d'intercanviador de calor, si la temperatura de cada posició de transferència de calor canvia amb el temps, la transferència de calor del sistema s'anomena transferència de calor inestable. En el procés de transferència de calor inestable, la velocitat de transferència de calor de cada punt calent canvia amb el temps. Aquest tipus de procés de transferència de calor es produeix en les etapes de posada en marxa i parada dels processos de producció intermitents o de producció contínua. Per exemple: durant l'inici o l'aturada d'un procés de producció, la temperatura a cada posició del procés d'intercanvi de calor augmenta o disminueix gradualment a causa de l'augment o disminució gradual de la càrrega de producció, que és un procés de transferència de calor inestable.

Segons la segona llei de la termodinàmica, la calor sempre es transfereix automàticament d'un objecte de temperatura més alta a un objecte de temperatura més baixa. Només sota la condició de consumir treball mecànic es pot transferir la calor d'un objecte de baixa temperatura a un objecte d'alta temperatura.
Els mètodes bàsics de transferència de calor són la conducció de calor, la convecció de calor i la radiació de calor. Sovint, un procés de transferència de calor no existeix sol en un determinat mètode de transferència de calor, sinó una combinació de dos o tres mètodes de transferència de calor. El mètode de transferència de calor és diferent si l'estructura i l'estat de moviment tèrmic del medi d'intercanvi de calor són diferents.

1) Conducció de calor

La conducció de calor és el procés de transferència de calor de la part de temperatura més alta d'un objecte a la part de temperatura més baixa a causa del moviment de molècules, àtoms o electrons lliures d'una substància. La conducció de calor és un mètode de transferència de calor en un objecte estacionari, caracteritzat per l'absència de desplaçament macroscòpic entre substàncies. Tots els objectes, independentment de si hi ha un desplaçament relatiu de partícules al seu interior, inevitablement patiran conducció de calor mentre hi hagi aquesta diferència de temperatura. Des d'una perspectiva microscòpica, la conducció de calor és un fenomen de transferència de calor causat pel moviment tèrmic de partícules microscòpiques com ara molècules, àtoms i electrons lliures d'una substància. En un gas o líquid, l'energia cinètica de les molècules de la zona d'alta temperatura és més gran que la de les molècules de la zona de baixa temperatura. Les molècules amb diferents energies cinètiques xoquen entre elles, fent que la calor flueixi de la zona d'alta temperatura a la zona de baixa temperatura. En els sòlids no metàl·lics, la calor es transfereix principalment per la vibració tèrmica i la col·lisió de molècules adjacents; en els metalls, la conducció de calor s'aconsegueix principalment pel moviment d'electrons lliures.

2) Convecció tèrmica

La convecció tèrmica es refereix a la transferència de calor causada pel desplaçament relatiu de les partícules a cada part del fluid. El procés de convecció sovint va acompanyat de conducció de calor. En la producció química, la transferència de calor entre el fluid i la paret sòlida se sol anomenar transferència de calor per convecció. La transferència de calor per convecció es divideix en convecció forçada i convecció natural. Si el moviment del fluid és causat per força externa, s'anomena convecció forçada, com ara: utilitzar bombes, ventiladors, agitació, etc. per fer que el fluid convequi i transfereixi calor. Si el moviment del fluid és causat per les diferents densitats de les parts fredes i calentes dins del fluid, s'anomena convecció natural. La transferència de calor per convecció forçada és millor que la convecció natural.

(3) Radiació tèrmica

La radiació tèrmica fa referència al procés en què un objecte genera ones electromagnètiques a causa de la calor i transfereix energia al món exterior. Qualsevol objecte, sempre que la seva temperatura sigui superior a la temperatura termodinàmica de zero, irradiarà energia contínuament al món exterior sense necessitat de cap mitjà. Al mateix temps, absorbeix contínuament l'energia de radiació d'altres objectes del món exterior i la converteix en energia tèrmica. Per tant, la transferència de calor per radiació no és només un procés de transferència d'energia, sinó que també s'acompanya de la conversió d'energia. Com més alta sigui la temperatura de l'objecte, més energia es transfereix en forma de radiació.

En la producció industrial, l'intercanvi de calor entre dos fluids de procés s'utilitza sovint en el procés d'intercanvi de calor. A més, cal un altre agent de calefacció (medi calefactor) o refrigerant (medi de refrigeració) per participar en l'intercanvi de calor per subministrar o eliminar calor.

1. Agents de calefacció d'ús habitual
Els agents de calefacció d'ús habitual a la indústria inclouen vapor d'aigua i saturat, aigua calenta, oli mineral, mescla de bifenil, sal fosa i gasos de combustió. Si la temperatura de calefacció és molt alta, es pot utilitzar calefacció elèctrica.

1) Vapor d'aigua saturat

El vapor d'aigua saturat és l'agent de calefacció més utilitzat. Com que el coeficient de transferència de calor convectiva del vapor d'aigua saturat és molt alt quan es condensa, la pressió del vapor es pot canviar per ajustar amb precisió la temperatura de calefacció. Tanmateix, quan la temperatura del vapor d'aigua saturat supera els 180 graus, es requereix una pressió molt alta. Per tant, la calefacció de vapor saturat generalment només s'utilitza en ocasions en què la temperatura de calefacció està entre 100 i 180 graus.

2) Gas de combustió

El gas de combustió obtingut per la combustió del combustible té una temperatura molt elevada, que pot arribar als 500 a 1000 graus. És adequat per a la calefacció que requereix una temperatura més alta. Els desavantatges de la calefacció amb gas de combustió són la seva baixa capacitat calorífica específica, la dificultat de control i el baix coeficient de transferència de calor convectiva.

3) Aigua calenta

L'aigua calenta s'utilitza com a agent de calefacció. El seu rang de temperatura aplicable és de 40 a 100 graus. L'aigua calenta prové de l'aigua condensada del vapor d'aigua o de la calor residual de l'aigua calenta residual.

(4) Oli mineral

L'oli mineral és adequat per a processos de calefacció per sota dels 250 graus. Els seus desavantatges són l'alta viscositat, el baix coeficient de transferència de calor convectiva i la fàcil descomposició i combustió per sobre dels 250 graus.

5) Sal fosa

La composició de la sal fosa és 7% NaNO3, 40% NaNO2, 53% KNO3. El seu rang de temperatura aplicable és de 142-530 graus, la temperatura de calefacció és alta i la calefacció és uniforme.

6) Mescla de bifenil

L'interval de temperatura aplicable del líquid de la mescla de bifenil és de 15-255 graus i el seu vapor és aplicable en l'interval de 255-3800 graus. El rang de temperatura aplicable és ampli i la temperatura és fàcil d'ajustar quan s'escalfa amb el seu vapor.

2. Refrigerants d'ús habitual
Els refrigerants més utilitzats a la indústria inclouen aigua, aire i diversos refrigerants.

1) Aigua

L'aigua és el refrigerant més utilitzat. Pot provenir de la natura i no necessita un processament especial. L'interval de temperatura aplicable habitualment és de 10-35 graus . L'aigua té una gran capacitat calorífica específica i un alt coeficient de transferència de calor convectiva. Té un bon efecte de refredament i és fàcil d'ajustar. Per evitar l'escala, la temperatura no ha de superar els 35 graus.

2) Aire

A les zones on els recursos hídrics són escassos, l'aire es pot utilitzar com a refrigerant. El coeficient de transferència de calor convectiva de l'aire és petit i el rendiment de transferència de calor és pobre. És adequat per a l'intercanvi de calor a una temperatura de refrigeració de 0-35 graus.

3) Salmorra congelada

Si la temperatura del fluid s'ha de refredar a una temperatura més baixa, s'ha d'utilitzar un refrigerant de baixa temperatura. Els refrigerants de baixa temperatura utilitzats habitualment inclouen salmorra congelada (CaCl₂, solució de NaCl), que pot refredar el material a una temperatura de menys deu graus centígrads o fins i tot menys de desenes de graus centígrads. L'interval de temperatures que s'utilitza habitualment és de {{0}} a 0 graus . Si es requereix un refredament profund, es pot utilitzar l'evaporació de certs líquids de baix punt d'ebullició per aconseguir el propòsit.