传热学溶出基本知识概要

本章介绍传热的基本方式，分析导热、热 对流和辐射的基本特性及应用。
§1 稳定传热的基本概念
一、温度与热量
1、温度
定义：用来表示物体冷热程度的物理量。 测量温度的仪表：温度计，玻璃管温度计、热电偶温度 计、热电阻温度计等。 衡量温度的数值标尺：温标。 ①绝对温标：国际单位制规定的热力学温标，符号T，单位 K(开尔文)，中文代号“开”。 ②摄氏温标：工程实际常用一种温标，符号t，单位摄氏度 ，代号“℃”。 换算关系 ： T=t+273.16 一般工程计算中：T=t+273
③
由于是稳定传热过程，外墙三个阶段的传热量应当相等， 即：
q qn q qw
联立①、②、③及④式，可得：
q
④
n
tn t w tn t w t t n w K (tn tw ) 1 d 1 Rd R Rw R
w
K
式中：
1
n
影响汽耗的因素分析
（1）加热表面结疤对汽耗的影响 在铝土矿溶出过程中，一些矿物与循环母液发生 化学反应，进入液相后成为溶解度很小的化合物 并从液相中析出，粘附在加热管束表面，随着时 间的延续，析出物越积越多，最终形成一层致密 的结疤。根据有关文献，结疤的导热性很差，它 的传热系数约为钢材的1/35。 在实际生产中，随着管束结疤厚度的增加，换热 效果越来越差，在机组运行周期末期的汽耗比初 期多10t/h左右，溶出温度也下降3～5℃。
三、热辐射的基本定律
在所有的物体中，黑体辐射能力最强，其他物体辐射能 力小于黑体，称灰体。
T 4 c( ) 100
T －绝对温度。
c －灰体的辐射系数，表示物体的向外辐射的能力。
c c0
c0 －黑体的辐射系数。
－物体的黑度，表示物体与黑体的接近程度。
四、辐射换热的计算
T＞OK的物体都能辐射热量，两物体通过辐射进行热交换， 高温物体辐射给低温物体的热量大于低温物体辐射给高 温物体的热量，最终两者差值决定换热量。
影响汽耗的因素分析
（5）开停车次数对汽耗的影响 每次开车需要用大量的新蒸汽预热管道、设备。 根据某厂生产经验，将设备、管道、加热系统和 冷凝水系统从环境温度预热到接近工作温度，所 需要蒸汽大约400～600吨，停车时用来吹扫料浆 大概需要蒸汽200吨左右。因而随着开停车次数 的增多，用来吹扫料浆及开车时预热用的蒸汽就 越多，汽耗也就增加。
影响汽耗的因素分析
（2）预热温度对汽耗的影响 溶出预热温度越低，要达到同样的溶出温度所需要的热 量越多，新蒸汽的消耗就越大，溶出汽耗就越高。所以在 其他条件不变的情况下，提高预热温度可以降低汽耗。 （3）冷凝水罐液位的控制对汽耗的影响 冷凝水罐液位的调节是调整新蒸汽流量的重要手段。冷 凝水罐的液位过低，会引起蒸汽来不及进行换热就直接进 入冷凝水系统，造成“串汽”现象；而冷凝水罐的液位过 高会造成管束里的冷凝水出不来，影响换热效果，达不到 溶出反应的温度要求。
F －墙壁的换热面积。 tb －墙面的温度。 t1 －流体的温度。 －对流换热系数， 其大小反映了对流换热的强弱。
变换公式的形式，可得：
tb t1 tb t1 q 1 R

R －对流换热热阻，与对流换热系数成反比。
§4 辐射换热
一、热辐射的本质和特点
1、定义
2、特点：
不依靠物质的直接接触而进行能量传递。 伴随能量形式两次转化：内能→电磁波能→内能。 只要T＞OK，物体都会不断向周围发射热射线。 即使没有温差，也存在热辐射，只不过物体辐射和吸收的 能量相等，处于动态平衡。
1、热能消耗分析 高压溶出过程的热能消耗是拜耳法热能消耗的主要工 序之一，占拜耳法能耗的40%左右。在重视能源节约的今 天，我们必须了解高压溶出过程热能消耗情况，以改进生 产，降低能量消耗。 我国的拜耳法高压溶出过程大多采用十级预热、十级 自蒸发、高压新蒸汽间接加热的热工制度。原矿浆在预热 器和溶出器中加热到溶出温度。一方面原矿浆经过预热， 以便降低蒸汽需用量，另一方面通过溶出料浆的多级自蒸 发以利用它们自蒸发时释放出的蒸汽来预热原矿浆，以回 收其热量。 实际溶出过程的热量收支情况以图表示。
§3 对流换热
一、对流换热的特征及影响因素
1、定义
依靠流体的运动，热量由一处传递到另一处的现象称之 为热对流。
2、特征
传热过程中流体质点发生了相对位移，而热传导中质点 并不发生相对位移。
3、热对流与对流换热的区别
热对流是基本传热方式的一种。 对流换热不是基本传热方式，而是一种复杂的传热过程， 既有热对流作用，同时又有导热作用。
二、辐射能的吸收、反射和透射
根据能量守恒定律，有：
G G G G
两边同除以 G ：
1
、、 －分别为吸收率、反射率、透射率。
黑体：能吸收全部热射线的物体，即 1 。 白体：能反射全部热射线的物体，即 1 。 透明体：能透过全部热射线的物体，即 1。 在自然界中，绝对黑体、白体和透明体的是不存在的。
3、削弱传热的方法
（1）热绝缘 （2）改变表面状况
第二部分 高压溶出组成 热能消耗、汽耗分析
高压溶出系统组成
原矿浆在进压煮器溶出以前须进行预热，高压溶出的高 温压煮矿浆要通过一系列自蒸发器逐步冷却，将压力降 为常压，由预热器、压煮器、自蒸发器等设备组成高压 溶出系统。
高压溶出过程的热能消耗分析
热能消耗分析
2) 由于自蒸发蒸汽减压而造成的温度间距，它可以 用增加自蒸发级数来降低。 (3) 由于加热面积受到限制而造成的温度间距，它 可以用增加加热面积来降低。 增加自蒸发和预热的级数可以使热回收率提高， 热回收率表示原矿浆从预热前的温度To 加热到溶出温度T溶所获得的全部热量中能够回 收用于预热的热量。
二、计算公式
单层百度文库壁
t1＞t2，温度恒定不变，热能 以导热方式由墙体内表面经墙 体传向墙的外表面。
单位时间的导热量
Q

d
(t1 t2 ) F
Q－通过单层平壁的导热量。
F －墙壁的传热面积。 d －墙壁的厚度。 t1 －墙壁内表面的温度。
t 2 －墙壁外表面的温度。 －墙体材料的导热系数。
溶出过程的热量收支情况
铝土矿
带入热量 循环母液 溶出过程
新蒸汽
溶出反应热
溶出料浆
散热损失
废气
新蒸汽 二次蒸汽 冷凝水 冷凝水 支出热量
热能消耗分析
所谓废气是指在溶出过程无法利用的低压蒸汽。它虽然 可用于其它工序，如加热赤泥洗水，但数量太多时不得不 放空排出，成为增大热耗的主要原因。如果溶出过程没有 这种废气，物料在溶出前后的温度相同，那么新蒸汽只是 为了提供溶出反应热和补偿散热损失，则其用量与溶出温 度关系很小。新蒸汽消耗量D的经验公式为： D=2.2×(T-t预)kg/m3 （原矿浆） 式中 2.2—经验常数； T—溶出温度，℃ t预—原矿浆预热温度，℃ 由上式可见，新蒸汽消耗量实际上是预热温度的函数。提高 预热温度可降低新蒸汽的消耗量。
3、传热的基本方式
导热
热对流
热辐射
4、稳定传热的基本概念
稳定传热 传热中温度差保持一恒定值，即不随时间有所变化。 不稳定传热 传热中温度差随时间变化而变化。 本章无特别说明的传热现象都是指稳定传热。
§2 稳定导热
一、定义
温度不同的物体直接接触，温度较高的物体把热能传给 温度较低的物体，或在同一物体内部，热能从温度较高 的部分传给温度较低部分的传热现象。
热流强度：单位时间内通过单位面积的热量。
q

d
(t 1 t2 )
t1 t2 t1 t2 q d R

墙体材料的导热系数λ ，是材料导热性能的一个指标，由 材料本身决定。 材料导热系数大，导热性能好；反之，导热性能差 。 Rλ称为热阻，是热流通过墙壁时遇到的阻力，或者说墙 壁抵抗热流通过的能力。 Rλ与λ成反比关系。
影响汽耗的因素分析
（4）新蒸汽温度、压力对汽耗的影响 根据理想气体状态方程：PV=mRT/M，可得出流 量与温度、压力的关系：m=PVM/RT，式中m为 蒸汽的质量流量，P为蒸汽压力，M为蒸汽的平均 摩尔量， T为热力学温度，R为通用气体常数。 在实际生产中，V、M、R为定值，因而当蒸汽压 力、温度起变化时，其流量也随之变化。所以在 生产中力求蒸汽参数的稳定对汽耗的控制也非常 重要。
T T Q12 C12 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ]12 F1 100 100 T T Q21 C21[( 2 ) 4 ( 1 ) 4 ]21 F2 100 100
Q12 Q21
－平均角系数。
§5 传热
一、稳定传热的过程
建筑物围护结构和换热设备的传热过程，实际上是导热、 热对流和热辐射三种基本方式都存在的复杂的换热过程。 以一建筑物外墙为例，来分析建筑物围护结构的实际传 热过程。
4、影响对流换热的因素
（1）流动的起因
自然对流
受迫对流
（2）流体的流动状态
层流 紊流
（3）流体的物理性质
导热系数、热容、密度、动力粘度等。
（4）换热表面的几何尺寸、形状与大小
二、对流换热计算
Q (tb t1 ) F q (tb t1 )
Q －单位时间的对流换热量。 q －对流换热热流强度。
2、热量
定义：物体吸收或放出热能的多少。
热量的单位
国际单位制中：J，kJ 工程单位制中：cal，kcal
换算关系 ：1kcal=4.19kJ
热量与能量的区别： 我们可以说一个物体含有多少能量，但我们不能说它含有 多少热量。热量是一个过程量，只有在物体通过热传递 交换热能才谈得上热量。我们可以说一个物体放出多少 热量，吸收多少热量。
传热及溶出相关知识
学习大纲
一、传热学知识介绍 二、高压溶出组成及热耗、汽耗分析 三、我国几种典型溶出工艺介绍
第一部分 传热学基本知识
了解稳定传热的基本概念；
理解稳定导热、对流换热和辐射换热的基 本概念； 了解稳定传热的过程及传热的增强与削弱。
传热学是研究热量传递过程规律的一门学 科。
铝土矿溶出工艺
拜耳法生产氧化铝已经走过了一百多年的历程。尽管拜 耳法生产方法本身没有实质性的变化，但就溶出技术而言 却发生了巨大的变化。溶出的方法由单罐间断溶出作业发 展为多罐串联连续溶出，进而发展为管道化溶出。溶出温 度也得以提高，最初溶出三水铝石的温度是105℃，溶出 一水软铝石为200℃，溶出一水硬铝石温度为240℃，而目 前的管道化溶出，温度可达280～300℃。加热方式由蒸汽 直接加热发展为蒸汽间接加热，乃至管道化溶出高温段的 熔盐加热。随着技术的进步，溶出过程的技术经济指标得 到显著的改善和提高。减轻了附属工序的负担，直接或间 接降低了氧化铝生产成本，提高了效益，也加大了资源的 利用率。
热能消耗分析
热能消耗分析
由于实际条件的限制，溶出料浆自蒸发的二次蒸 汽(Ti)用来预热原矿浆，并不能使原矿浆获得相 同的温度，这两种料浆在溶出过程中从始到终彼 此都分别存在着一个温度间距。这个温度间距由 三个因素构成：
热能消耗分析
(1) 由于沸点升高而造成的温度间距。料浆的沸点 高于水的沸点，如料浆沸点升高值为Q，料浆急 剧自蒸发时，便与蒸发蒸汽之间有一个数值为Q 的温度差，即所谓温度损失。因此不可能依靠自 蒸发蒸汽将原矿浆加热到溶出温度，但是自蒸发 蒸汽的温度越高，原矿浆预热温度越高，新蒸汽 的用量才能减少。

1 d
w

1

1 1 Rn R Rw R
K －墙体的总传热系数。 R －墙体的总传热阻。
二、传热的增强与削弱
1、增强传热的基本途径 Q KF t
（1）提高传热系数 （2）增大传热面积 （3）增大传热温差
2、增强传热的方法
（1）改变流体的流动状况 （2）改变流体的物性 （3）改变换热表面情况
假定墙两侧空气温度分 别为tn和tw，且tn＞tw， 室内热量通过墙体向外 传热的过程，要经历三 个阶段。
1、吸热阶段（对流换热和辐射换热）
qn n (tn tb1 )
2、导热阶段
tb1 tb 2 q d
①
②

3、放热阶段（对流换热和辐射换热）
qw w (tb2 tw )