載熱體

在生產過程中，經常不准許用煙道氣或電流直接加熱，可使用各種液體或氣體作為中間介質，進行加熱後再用這被加熱後的熱介質與其他物料進行熱交換。這些中間介質稱為載熱介質或載熱體。

物料在換熱器中加熱或冷卻、冷凝時，一般要用一種流體輸入熱能或輸出熱能，這種流體統稱為載熱體。通常又稱加熱物料的載熱體為加熱劑，冷卻或冷凝物料的載熱體為冷卻劑。工業生產中使用的載熱體很多，載熱體的性質和使用方法將直接影響換熱器的傳熱效率。

選擇載熱體時首先要考慮是否能滿足傳熱温度條件的要求；另外還應考慮温度調節是否方便；熱穩定性及飽和蒸汽壓如何；是否易燃、易爆、安全性如何；對物料、環境是否污染；是否來源充足、價格低廉等等。對具體的傳熱任務，上述種種因素須加以權衡。

常用的有水蒸氣。此外，過熱水，礦物油和一些有機載熱體如萘、聯苯、二苯醚及其低熔混合物等也是頗為常見的載熱體。

在過程工業中，物料在換熱器內被加熱或冷卻時，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的載熱體稱為加熱劑（或加熱介質）；起冷卻（冷凝）作用的載熱體稱為冷卻劑（或冷卻介質）。

1．飽和水蒸汽 由於飽和水蒸汽冷凝放熱時，冷凝潛熱及對流傳熱係數都很大，且加熱均勻、調節温度方便、清潔無毒、輸送方便、價格低廉，所以它是工業生產中廣為使用的一種加熱劑。生產中使用的飽和水蒸汽來自工業鍋爐，由於一般工業鍋妒生產、提供的飽和水蒸汽壓力有限，所以飽和水蒸汽不能用作高温加熱劑，加熱温度一般不超過180℃（壓力1000 kN/m2）。

飽和水蒸汽用於間壁式換熱器時，應從換熱器上方接管通入，從下方接管連續排出冷凝水，不致使傳熱面被冷凝水淹沒而降低傳熱係數。生產中都用排水阻汽閥（即疏水器）進行排水阻汽自動操作，它能保證連續排除冷凝水且阻止蒸汽排出。若能將排出的冷凝水的顯熱利用起來，則可進一步降低能耗、節約能源。另外，由於飽和水蒸汽中含有不凝氣體，所以操作中要注意排除不凝氣體（加熱室上方裝有排氣閥），以免降低冷凝給熱係數。

當物料允許水蒸汽直接加熱時，可將飽和水蒸汽用管子直接通入物料中鼓泡加熱。這樣，熱能可得到充分利用。

2．有機載熱體 當物料加熱温度要求達到180℃～300℃時，一般飽和水蒸汽無能為力，這時要使用高温載熱體。先用電加熱或燃料燃燒加熱高温載熱體，然後再通過自然對流或泵強制循環加熱物料。傳統的高温載熱體是礦物油和道生油（聯苯混合物）。因為礦物油粘度大、傳熱係數小、熱穩定性差、易燃、調節温度滯後，而道生油雖然克服了礦物油的很多缺點，但它凝固點較高（12.3℃），250℃以上需帶壓操作（飽和蒸汽壓稍高），而且高温下滲透性強，蒸汽易燃。針對以上問題，近年來我國研製開發出了一系列新型有機載熱體。它們凝固點低，工作温度範圍寬，有的可達-45℃～300℃；飽和蒸汽壓低，350℃以下液相可常壓操作，熱穩定性好，使用壽命長；粘度低，導熱係數及定壓比熱容較大，則輸送阻力損失小，對流傳熱係數大，温度調節方便。另外，它們還具有腐蝕性小、毒性很低、使用安全的優點。醫藥工業中它即可用作加熱劑又可用作冷卻劑。這種新型載熱體，國內產品主要有YD、JD、DR、L等系列及氫化三聯苯等。

如果物料加熱温度高於350‘C時，可根據具體條件，採取電加熱（可達1000℃～3200℃）及煙道氣加熱（可達500℃～1000℃）。 ^[1] 

1．水 它是生產中廣泛使用的冷卻劑，可一次性使用後排棄，也可通過循環水池降温後循環使用，視水源情況而定。用水作冷卻劑，制定操作條件時應注意：冷、熱流體傳熱平均温度差不宜小於10℃；水的出口温度不宜超過45℃，以免水中無機鹽析出、結垢；水的流速不應低於0.5m/s，以免水中污垢沉澱。

2．冷凍鹽水 它是一定濃度的NaCI或CaCl₂水溶液，凝固温度可低達-55℃，隨鹽的濃度而定。冷凍鹽水屬低温冷卻劑，使用後温度升高，用泵送回製冷車間被冷凍劑降

温後，又用泵送至生產車間使用，如此循環操作。

對於一定的傳熱過程，待加熱或冷卻物料的初始與終了温度常由工藝條件所決定，因此需要提供或取出的熱量是一定的。熱量的多少決定了傳熱過程的操作費用。但應指出，單位熱量的價格因載熱體而異。例如，當加熱時，温度要求愈高，價格愈貴；當冷卻時，温度要求愈低，價格愈貴。因此為了提高傳熱過程的經濟效益，必須選擇適當温位的載熱體。

工業上常用的加熱劑有熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯苯混合物、熔鹽及煙道氣等。它們所適用的温度範圍見下圖《常見的載熱體》所示。若所需的加熱温度很高，則需採用電加熱。 ^[2] 

載熱體及其最高温度的決定在於被處理固體物料的性質及其是否允許被污染等因素。

若被處理的固體物料不怕高温，且非最後產品，可以允許在處理過程中稍被污染，可採用煙道氣作為載熱體則能得到較高的體積蒸發率和熱效率。例如，對於進口含水量較高的物料乾燥，採用氣體進口温度為300℃時，乾燥器的體積蒸發率為土6噸水/m³·h，熱效率為30～60%；若氣體進口温度為500℃，則體積蒸發率為35水/m³·h，熱效率為50～70%。所以對於處理礦石、砂礫，煤、過磷酸鈣等物料的轉筒乾燥器都帶有直接產生煙道氣的燃燒爐，其燃料可以是煤、油或者天然氣等。

若處理的物料不允許被污染，則用熱空氣做載熱體。 熱空氣是經空氣預熱器加熱的。加熱介質可用蒸汽加熱器、電加熱器，或用煙道氣經預熱器加熱熱空氣等方法。也可用其他工業廢熱氣體來加熱空氣。也有用間接加熱的方式，即熱量由金屬壁傳給被幹燥物料，如外加熱式的迴轉圓筒乾燥器。

若被幹燥物料的產品不允許被污染，而且不允許被空氣沖淡，則熱量應通過轉筒壁傳入。此時，可以將轉簡裝在磚室內，筒外通以煙道氣；也可在筒內安裝中心管或列管，套管等表面熱交換器，利用金屬壁傳熱。載熱體可為煙道氣、水蒸氣或電加熱。在被幹燥物料中，則通以乾淨氣體，將蒸發的水分移走。 ^[1] 

利用載熱體（如蒸汽、油等）作為加熱介質的加熱方法稱為載熱體加熱。由於採用的載熱體的不同，又可分為液體加熱和蒸汽加熱。液體加熱所使用的加熱介質，在低於200℃時用礦物油，高於200℃時，一般都採用有機溶劑或其混合物。蒸汽加熱所使用的介質為蒸汽。

液體加熱的優點是：加熱温度較高，效率也高，加熱均勻而且能夠準確地控制温度。其缺點是：要求加熱系統密封良好，以免因液體的滲漏而影響到製品的質量。同時還需要配備一套加熱循環裝置，這就提高了設備的成本；所用的載熱體（如有機溶劑）因受熱分解往往帶有毒性和腐蝕性，另外裝置的維修也不方便，故很少採用。

蒸汽加熱因其壓力很難維持一定值，且波動也較大，其温度亦難達到工藝要求，而且還需配備一套專門的蒸汽設備，這對於許多製品廠來説是很難做到的，因此也很少採用。

載熱體加熱系統根據不同的使用目的，有各種類型的設計。按載熱體的使用狀態，大致可分為液相循環系統和氣相循環系統。

中小型的載熱體加熱爐以整裝型為主流，根據使用目的，還有電熱式、爐筒煙管型、立式圓筒型和箱型。

整裝型載熱體加熱爐的使用範圍較廣，現在以1200萬keal/h能量為標準設計，加熱爐本體是由輻射部和對流部一體化構成的立式筒狀。在工廠設計製造完成後，成品運往使用現場。因此現場的安裝作業較簡單，將此爐和立式圓筒型、箱型加熱爐相比，設備費可大量壓縮，而且幾乎各種燃料都可使用。根據大氣污染防止法對NO_x的規定，鍋爐內裝配特製的低NO_x燃燒器，可充分燃燒含氮成分高的重油，減少大氣污染。從提高載熱體性能和傳熱原理考慮，它比其他型加熱爐具有火爐負荷大、熱效率高、小型化、節省安裝佔地面積等特點。

電熱式加熱爐在10～3000kW的範圍使用，它有操作控制方便、精度高、無污染等優點，但它耗電量大，運行費用高，在日本國內只有研究所中間試驗裝置及對温度控制有嚴格要求的領域，才使用此種小型加熱爐。

立式圓筒型加熱爐為500萬kcal/h以上的大型爐，若用多種燃料混燒時，其燃燒器的類型和排列形式可自由設計，調節比TDR值也可設定得大些，而且排氣中餘熱可循環用於燃燒空氣的預熱，熱效率可達到90%。

箱型加熱爐也是500萬kcal/h以上的大型加熱爐，它具有和立式圓筒型加熱爐同樣的特點，而且可適用瀝青、廢油等灰分較多的重質燃料。 ^[3] 

現在，如對使用端沒有特殊要求，一般採用液相循環系統。在此係統中載熱體處於液態循環加熱。加熱爐有前面介紹的幾種，整個系統由載熱體加熱爐、循環泵和膨脹槽等構成，設備費用便宜，安裝和操作運行簡便。以加熱爐出口和入口保持25～35℃的温度差來控制系統的循環量，如果裝配有分支迴路系統，則不同温度的載熱體可供應各自的使用端並且可和冷卻系統組合運行。

氣相循環系統就是載熱體處於氣態供熱的系統，爐筒煙管型加熱爐屬此。由於利用蒸氣的潛熱加熱，整個流程能以均一温度加熱。與液相循環系統比較，設備費用較高，如整個系統設計有缺欠，易帶來操作運行困難。最近，取代爐筒煙管型爐，出現了熱效率高，載熱體使用量少，由前述各種類型的加熱爐和閃蒸罐組合使用的新式氣相載熱體循環系統。

作為液相循環系統的一種，還有熔鹽循環系統，其特點是在一般載熱體所難及的350～600℃的高温狀態下使用，在制訂循環加熱系統規劃時應予注意。 ^[3] 

飽和蒸汽、水和空氣是最常用的載熱體。飽和蒸汽在冷凝時能夠放出大量潛熱，無毒，能準確調節加熱温度而不易使被加熱物料發生局部過熱，是應用最廣的加熱劑；但加熱温度不夠高，通常不超過250℃，否則蒸氣壓過高。熱水和熱空氣也是常用的載熱體。常温下的水和空氣，方便易得，是應用最廣的冷卻劑；但其冷卻效果隨季節而變。水作為冷卻劑的使用温度，不能低於0℃。

工業上常用的高温載熱體有：

（1）礦物油，如重油、汽缸油、潤滑油等，最高使用温度在敞開系統約為250℃，在封閉系統約為320℃；

（2）過熱水，最高使用温度可達水的臨界温度374℃，但此時壓力高達22.5MPa；

（3）有機載熱體，常用的是26.5%聯苯和73.5%二苯醚的混合物，最高使用温度可達380℃；

（4）熔鹽混合物，常用的熔鹽是亞硝酸鹽和硝酸鹽的混合物，使用温度可達540℃：

（5）液態金屬，如汞、鉛或鈉鉀合金等，主要用於核工業中。視使用場合的不同這些載熱體，既可用於加熱，也可用於冷卻。 ^[4]