熱量衡算

熱量衡算是指根據能量守恆定律而進行的熱量平衡的計算，對任何一個生產過程，其中輸入的熱量應為輸出熱量與損失熱量之和。通過熱量衡算，可知熱量的利用、消耗和損失的情況，從而可推算熱量的利用效率。例如利用熱量衡算，可以確定蒸餾釜中加熱蒸汽的消耗量以及分(冷）凝器和冷卻器中冷卻水的消耗量。

基本介紹

• 中文名：熱量衡算
• 外文名：heat balance
• 運用：能量守恆定律
• 套用：化工設計

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。

(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（如聯苯、導熱姆等）和熔鹽的循環量；

(7)冷凍系統的製冷量和冷凍劑循環量；

(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。

熱量衡算的依據及必要條件

熱量衡算的主要依據是能量守恆定律，其數學表達式為

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——設備向環境散失的熱量，kJ

Q₁（Q₄）=Σ mC_P(t₂- t₀) kJ

m ——輸入或輸出設備的物料質量，kg

C_P——物料的平均比熱容，kJ/(kg·℃)

t₂——物料的溫度，℃

t₀——基準溫度，℃

Q₅=Σ C_PM (t_2-t₁) kJ

M——設備各部件的質量，kg

C_P——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的熱力學數據，例如比熱容，相變熱，反應熱等。

能量的基本形式

能量衡算和物料衡算類似，要用到守恆的概念，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。由於能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算複雜。

位能（Ep）

位能又稱勢能，是物體由於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，當物體處於基準面上時其位能為零。由於多數化工生產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）

由於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。

內能（U）

內能表示除了巨觀的動能和位能外物質所具有的能量，其大小與分子運動有關。對於純組分物質，內能可表示成與溫度和摩爾體積間的函式關係：

熱量衡算的基準

計算基準包括兩方面，一指數量上的基準，一指相態的基準（亦稱為基準態）。數量上的基準，指用哪個量出發來計算熱量，與物料衡算相似。相態的基準指在熱量衡算中之所以要確定基準態，是因為在熱衡算中廣泛使用焓這個熱力學函式，焓沒有絕對值，只有相對於某一基準態的相對值。基準態可以任意規定，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必須相同。

系統能量的合理利用

提高能源的利用率，大力節約能源，降低能耗是化工生產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濟指標之一，它影響到工廠的產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濟上的合理性如何。一個好的設計必須採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代大型化工企業的動力工藝裝置。動力工藝裝置就是把動力系統與工藝系統密切結合起來。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”。