[科普中國]-熱量衡算

熱量衡算的意義

能量衡算的基礎是物料衡算。 化工設計中的能量衡算主要是熱量衡算。在化工設計工作中，通過熱量衡算可以得到下面各種情況下的設計參數(shù)。

(1)換熱設備的熱負荷；

(2)反應器的換熱量；

(3)吸收塔冷卻裝置的熱負荷；

(4)冷激式多段絕熱固定床反應器的冷激劑用量；

(5)加熱蒸汽、冷卻水、冷凍鹽水的用量；

(6)有機高溫熱載體（如聯(lián)苯、導熱姆等）和熔鹽的循環(huán)量；

(7)冷凍系統(tǒng)的制冷量和冷凍劑循環(huán)量；

(8)換熱器冷、熱支路的物流比例 ；

(9)設備進、出口的各股物料中某股物料的溫度1。

熱量衡算的依據(jù)及必要條件熱量衡算的主要依據(jù)是能量守恒定律，其數(shù)學表達式為

Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

其中：

Q1——物料帶入到設備的熱量，kJ

Q2——加熱劑或冷卻劑傳給設備和所處理物料的熱量，kJ

Q3——過程熱效應，kJ

Q4——物料離開設備所消耗的熱量，kJ

Q5——加熱或冷卻設備所消耗的熱量，kJ

Q6——設備向環(huán)境散失的熱量，kJ

Q1（Q4）=Σ mCP(t2- t0) kJ

m ——輸入或輸出設備的物料質(zhì)量，kg

CP——物料的平均比熱容，kJ/(kg·℃)

t2——物料的溫度，℃

t0——基準溫度，℃

Q5=Σ CPM (t2-t1) kJ

M——設備各部件的質(zhì)量，kg

CP——設備各部件的比熱容，kJ/(kg·℃)

t1——設備各部件的初始溫度，℃

t2——設備各部件的最終溫度，℃

Q5+Q6=10%Q總

熱量衡算是在物料衡算的結果基礎上而進行的，因此，物料衡算表是進行熱量衡算的首要條件。其次還必須收集有關物質(zhì)的熱力學數(shù)據(jù)，例如比熱容，相變熱，反應熱等2。

能量的基本形式能量衡算和物料衡算類似，要用到守恒的概念，即要計算進入和離開特定體系的能量值，因此必須分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算復雜。

位能（Ep）位能又稱勢能，是物體由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小與物體所在的力場有關，物體在重力場中所具有的位能可用下式表示：

位能的大小和基準面有關，因此物體距基準面的高度差決定了位能的大小，當物體處于基準面上時其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過程基本上是在地表或接近地表的高度進行的，位能對整個能量衡算的影響一般不大，除在計算物料的輸送功率時物料的位能變化是不可忽略的外，在能量衡算中位能皆可忽略。

動能（Ek）由于物體運動所具有的能量，稱為動能，其值表示為：

物體的動能與物體運動速度的平方成正比，因此物體的運動速度對動能的影響較大，但在化工生產(chǎn)過程中物料的流動速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當物料經(jīng)過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時，在能量衡算中動能的影響才比較明顯其值不可以忽略。

內(nèi)能（U）內(nèi)能表示除了宏觀的動能和位能外物質(zhì)所具有的能量，其大小與分子運動有關。對于純組分物質(zhì)，內(nèi)能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數(shù)關系1：

熱量衡算的基準計算基準包括兩方面，一指數(shù)量上的基準，一指相態(tài)的基準（亦稱為基準態(tài)）。數(shù)量上的基準，指用哪個量出發(fā)來計算熱量，與物料衡算相似。相態(tài)的基準指在熱量衡算中之所以要確定基準態(tài)，是因為在熱衡算中廣泛使用焓這個熱力學函數(shù)，焓沒有絕對值，只有相對于某一基準態(tài)的相對值?；鶞蕬B(tài)可以任意規(guī)定，不同物料可使用不同的基準，但對同一種物料，其進口和出口的基準態(tài)必須相同。

系統(tǒng)能量的合理利用提高能源的利用率，大力節(jié)約能源，降低能耗是化工生產(chǎn)和設計的一項重要指導原則。在工廠設計中，降低能量消耗是一項必須高度重視的基本原則。能量的消耗指標是設計的技術經(jīng)濟指標之一，它影響到工廠的產(chǎn)品成本以及燃料和動力的總供應量；因而在一定程度上反映了所設計的工廠在技術上的先進性和經(jīng)濟上的合理性如何。一個好的設計必須采取各種措施來降低能量的消耗。

降低能量消耗的重要措施：綜合利用能量、回收利用廢熱能綜合利用的典型例子是現(xiàn)代大型化工企業(yè)的動力工藝裝置。動力工藝裝置就是把動力系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)密切結合起來。目前，對大型化工廠，不僅要求它能做到“熱量自給”，甚至還要求做到“能量自給”以及“動力自給”2。