平壁爐多層平壁熱傳導案例分析

摘要：在化工生產中，存在眾多熱設備，如換熱器、加熱爐、反應器等。本文以化工生產中常用的平壁加熱爐作為例，采用理論計算的方法，分析保溫材料對設備熱損失的影響，并分析不同保溫材料對熱損失及各平壁層溫度的影響。

關鍵詞：平壁爐;熱傳導;熱導率;熱損失

案例：某化工廠所用平壁爐，爐壁用100m厚的耐火材料和外層為200mm厚的建筑材料砌成。兩種材料導熱系數均未知。設備操作穩定時，平壁爐內壁溫度為750℃，設備外壁溫度為130℃。為節能減少熱損失，現對爐壁進行改造，在建筑材料外包扎一層石棉保溫層，保溫層厚50mm。改造完成后，經測量得爐內壁溫度為750℃，耐火材料與建筑材料界面處溫度為650℃，建筑材料與石棉層界面處溫度為410℃，石棉保溫層外側測得溫度為50℃。（1）根據所測溫度，核算改造前后熱損失減少百分比;（2）若想將熱損失降至原熱損失的20%以下，核算設備外壁所包扎石棉保溫層的厚度;（3）若將原石棉保溫材料換為玻璃棉保溫材料，保溫厚度不變時，核算更換后該設備熱損失百分比。

1、研究熱傳導的意義

在化工生產中，存在眾多熱設備，如換熱器、加熱爐、反應器等。由于部分設備保溫較差，導致設備熱損失大，熱效率低下。為了解決此問題，本文擬以某工廠所用平壁爐為例，對穿過爐體各平壁層的熱導速率進行分析，并分析不同熱導率的保溫材料對設備熱損失的影響。

2、影響熱傳導的因素

在化工生產中，傳熱是一種最普遍存在的單元操作之一。傳熱在化工生產中主要應用于以下三方面：（1）對物料進行加熱或冷卻，使物料達到指定的溫度;（2）對不同介質進行換熱，以回收潛在熱能，優化換熱網絡，回收熱能;（3）對高溫設備或低溫設備進行保溫或保冷，以便減少設備熱損失。本案例中，主要考慮對設備進行保溫，減少設備熱量損失，提高整體熱效率。

3 、傳熱計算

（4）結果分析

根據上述計算結果可知，對于平壁傳熱，當設備內壁溫度不變時，通過增加保溫層，可極大減少設備熱損失。例如本案例中，通過設備改造包扎50mm保溫材料，改造后設備熱損失降為改造前的46.78%，極大降低平壁爐熱損失，提高熱效率。

從計算結果可知，當保溫材料不變，通過增加保溫厚度，可改善設備保溫性能，減少熱損失。當保溫材料厚度為50mm時，改造后熱損失為原熱損失的46.78%;當增加保溫厚度至213mm后，熱損失將為原熱損失的20%。

更換保溫材料后，在保溫材料厚度保持不變下，設備所減少的熱損失量由原46.78%，降為74.4%。

對公式3-1分析如下：對于多層平壁定態熱傳導，各層材料間導熱速率Q一致，導熱推動力△t=t1-t2與導熱速率成正比，材料導熱熱阻R=b/（λ*A），與導熱速率成反比。為減少熱損失，應考慮增大材料熱阻。為此可增加保溫材料厚度，或通過更換低熱導率的保溫材料，達到節約能效，降低熱損失的目的。

4、結束語

在化工生產中，各種因素對傳熱結果的影響很大，如環境溫度、傳熱形式、設備表面積、傳熱層壁厚、傳熱層的熱導率等，各種因素對熱傳導的計算結果影響較大。本案例中僅以某廠對其所用平壁爐進行保溫改造為例，計算分析單位傳熱面積上保溫材料厚度及不同保溫材料對設備熱損失的影響，并通過對計算結果進行分析，探討各影響因素對傳熱過程的影響，以便為化工生產過程中，減少設備熱損失，降低能耗，提高熱效率提供指導方向。

參考文獻：

[1] 楊祖榮.北京：化工原理[M].化學工業出版社

[2] 中國石化集團上海工程有限公司.北京：化工工藝設計手冊[M].化學工業出版社

作者簡介：

陳寅（1986-），男，碩士，工程師，主要從事石油化工工程設計工作。