熱伝達はどのように機能するのでしょうか?

従来の産業では、熱伝達には次の 2 つの目的があります。

まず、材料の加熱や冷却などの熱伝達を促進するため、熱伝達の向上、装置の熱伝達効率の向上、装置の小型化、装置コストの削減を目的としています。
第二に、高温機器、低温機器、流体輸送パイプラインの断熱など、熱伝達を弱め、熱損失を減らすには、熱伝達率が低いほど良いです。

熱交換の目的や生産条件が異なるため、熱交換方法も異なります。工業生産プロセスで一般的に使用される熱交換方式は、層間熱交換、直接混合熱交換、蓄熱熱交換の 3 種類に分類できます。

(1) 層間熱交換

中間層熱交換器では、冷たい流体と熱い流体が熱交換器の壁の両側にあり、熱い流体は中間層を介して冷たい流体に熱を伝達します。隔壁熱交換器は化学生産に広く使用されています。このカテゴリに属する​​熱交換器には、ジャケット熱交換器、サーペンタイン熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、およびプレート熱交換器が含まれます。

(2) 直接混合熱交換

直接混合熱交換とは、流体の混合過程で高温流体と低温流体を直接接触させて熱交換を行うことです。この形式の熱交換は、主にガスの冷却と蒸気の凝縮に使用されます。例えば、化学プラントの冷却塔では、熱水と空気が直接混合されて熱交換が行われます。空気は水の気化熱を吸収し、水の温度を下げます。

(3) 蓄熱熱交換

蓄熱熱交換とは、熱交換器内に蓄熱体（固体充填材）を設置し、蓄熱体を利用して熱を蓄えたり放熱したりすることで、冷温流体間の熱交換の目的を達成するものです。動作中、まず高温の流体が蓄熱体を通過して蓄熱体に熱を蓄え、次に低温の流体が蓄熱体を通過して、蓄熱体が熱を低温に伝達します。流体。

熱い流体と冷たい流体の間の温度差は、自発的な熱伝達の必要条件です。熱伝達は、熱交換器の伝熱壁の両側に温度差がある場合にのみ実行されます。熱交換器の各位置の温度差は必ずしも安定しているわけではありません。温度差が安定するかどうかは、製造プロセスの安定性に依存します。

1) 安定した熱伝達

熱交換器システムにおいて、各伝熱位置の温度が時間の経過とともに変化しない場合、そのシステムの熱伝達は安定した熱伝達と呼ばれます。安定した熱伝達プロセスでは、各ホットポイントの熱伝達率は時間の経過とともに変化しません。このタイプの熱伝達プロセスは、連続生産プロセスで発生します。例：生産プロセスの継続的で安定した段階では、原料の供給または製品の回収が安定している場合、熱交換プロセスの各位置の温度は一定であると考えることができ、これは安定した熱に属します。移行。

2) 不安定な熱伝達

熱交換システムにおいて、各伝熱位置の温度が時間とともに変化する場合、そのシステムの熱伝達は不安定熱伝達と呼ばれます。不安定な熱伝達プロセスでは、各ホットポイントの熱伝達率が時間とともに変化します。このタイプの熱伝達プロセスは、断続的な生産プロセスまたは連続生産の開始段階と停止段階で発生します。例えば、生産プロセスの起動時や停止時には、生産負荷の漸次増減により熱交換プロセスの各位置の温度が徐々に上昇または低下する不安定な熱伝達プロセスです。

熱力学の第 2 法則によれば、熱は常に高温の物体から低温の物体に自動的に移動します。機械的仕事を消費する条件下でのみ、熱は低温の物体から高温の​​物体に伝達されます。
熱伝達の基本的な方法は、熱伝導、熱対流、熱放射です。熱伝達プロセスは、多くの場合、特定の熱伝達方法が単独で存在するのではなく、2 つまたは 3 つの熱伝達方法の組み合わせで存在します。熱交換媒体の構造や熱運動状態が異なれば、熱の伝わり方も異なります。

1) 熱伝導

熱伝導は、物質の分子、原子、または自由電子の移動により、物体の高温部分から低温部分に熱を伝達するプロセスです。熱伝導は静止物体における熱伝達方法であり、物質間に巨視的な変位が存在しないことを特徴とします。すべての物体は、内部の粒子の相対的な変位の有無に関係なく、この温度差がある限り、必然的に熱伝導を受けます。微視的に見ると、熱伝導とは、分子、原子、物質の自由電子などの微小な粒子の熱運動によって引き起こされる熱伝達現象です。気体や液体では、高温領域の分子の運動エネルギーは低温領域の分子の運動エネルギーよりも大きくなります。異なる運動エネルギーを持つ分子が衝突し、高温部から低温部へ熱が流れます。非金属固体では、熱は主に熱振動と隣接する分子の衝突によって伝達されます。金属では、熱伝導は主に自由電子の移動によって実現されます。

2) 熱対流

熱対流とは、流体の各部分における粒子の相対的な移動によって引き起こされる熱伝達を指します。対流プロセスには熱伝導が伴うことがよくあります。化学生産では、流体と固体壁の間の熱伝達は通常、対流熱伝達と呼ばれます。対流熱伝達は強制対流と自然対流に分けられます。流体の移動が外力によって引き起こされる場合、ポンプ、ファン、撹拌などを使用して流体を対流させ、熱を伝達することを強制対流といいます。流体の動きが流体内の冷たい部分と熱い部分の密度の違いによって引き起こされる場合、それは自然対流と呼ばれます。強制対流の熱伝達は自然対流よりも優れています。

(3) 熱放射

熱放射とは、物体が熱により電磁波を発生し、エネルギーを外部に伝達するプロセスを指します。あらゆる物体は、その温度が熱力学的温度ゼロより高い限り、媒体を必要とせずにエネルギーを外界に放射し続けます。同時に、外界の他の物体からの放射線エネルギーを吸収し続け、熱エネルギーに変換します。したがって、輻射熱伝達は単なるエネルギー伝達のプロセスではなく、エネルギー変換を伴います。物体の温度が高くなるほど、より多くのエネルギーが放射線の形で伝達されます。

工業生産では、熱交換プロセスで 2 つのプロセス流体間の熱交換がよく使用されます。さらに、熱を供給または除去するために熱交換に参加する別の加熱剤 (熱媒体) または冷却剤 (冷却媒体) が必要です。

1. 一般的に使用される加熱剤
産業界で一般的に使用される加熱剤には、飽和蒸気、水蒸気、熱水、鉱油、ビフェニル混合物、溶融塩、排ガスなどがあります。加熱温度が非常に高い場合は、電気加熱を使用できます。

1) 飽和水蒸気

飽和水蒸気は最も広く使用されている加熱剤です。飽和水蒸気は凝縮すると対流熱伝達率が非常に高くなるため、蒸気圧力を変化させて加熱温度を正確に調整することができます。ただし、飽和水蒸気の温度が180度を超えると非常に高い圧力が必要になります。したがって、飽和蒸気加熱は一般に加熱温度が100度から180度の場合にのみ使用されます。

2) 排ガス

燃料の燃焼によって得られる排ガスは非常に高温であり、その温度は500度から1000度に達することもあります。より高い温度を必要とする加熱に適しています。排ガスによる加熱の欠点は、比熱容量が低いこと、制御が難しいこと、対流熱伝達係数が低いことです。

3) お湯

熱水は加熱剤として使用されます。適用温度範囲は40～100度です。熱水は、水蒸気の凝縮水または廃熱水の廃熱から得られます。

(4) 鉱物油

鉱物油は 250 度以下の加熱プロセスに適しています。欠点は、粘度が高いこと、対流熱伝達係数が低いこと、250 度を超えると分解や燃焼が起こりやすいことです。

5) 溶融塩

溶融塩の組成は、NaNO3 7%、NaNO2 40%、KNO3 53%です。適用温度範囲は142-530度で、加熱温度は高く、加熱は均一です。

6) ビフェニル混合物

ビフェニル混合液の適用温度範囲は15-255度、蒸気の適用温度範囲は255-3800度です。蒸気で加熱するため適用温度範囲が広く、温度調整が容易です。

2. 一般的に使用されるクーラント
産業で一般的に使用される冷却剤には、水、空気、およびさまざまな冷媒が含まれます。

1) 水

水は最も一般的に使用される冷却剤です。自然由来のものなので、特別な加工は必要ありません。一般的に使用される適用温度範囲は 10-35 度です。水は高い比熱容量と高い対流熱伝達係数を持っています。冷却効果が高く、調整も簡単です。スケーリングを防ぐため、温度は 35 度を超えないようにしてください。

2) 空気

水資源が乏しい地域では、空気を冷却剤として使用できます。空気の対流熱伝達係数が小さく、伝熱性能が悪い。冷却温度0-35度での熱交換に適しています。

3) 冷凍ブライン

流体温度をより低い温度まで冷却する必要がある場合は、低温クーラントを使用する必要があります。一般的に使用される低温冷却剤には、冷凍ブライン (CaCl) が含まれます。₂、NaCl溶液）、材料を摂氏マイナス10度、さらには摂氏マイナス数十度の温度まで冷却することができます。一般的に使用される温度範囲は {{0}} ～ 0 度です。深冷却が必要な場合は、特定の低沸点液体の蒸発を利用して目的を達成できます。