储罐和容器的能耗

储罐和容器中液体的加热是过程工业中的重要需求。储罐有多种不同类型和用途。本教程涵盖了热需求确定、传热和热损失计算。

储罐中液体的加热是过程工业（如乳制品、金属处理和纺织工业）中的重要需求。水可能需要加热以提供热水用途；或者，液体可能需要加热作为生产过程本身的一部分，无论是否涉及化学反应。此类过程可能包括锅炉给水箱、洗涤槽、蒸发器、煮沸锅、铜锅、加热室和再沸器。

开口和闭口储罐用于大量工艺应用： 锅炉给水箱

锅炉给水箱是任何蒸汽发生系统的核心。它提供了回收冷凝水和处理补给水的储存，用于向锅炉供水。 加热水的一个原因是减少进入锅炉的氧气，理论上在100 °C时氧含量为0 ppm。锅炉给水箱通常在80 °C至90 °C之间运行。 热水储罐

工业中的许多工艺需要热水。通常在使用蒸汽作为加热介质的简单开口或闭口储罐中加热。运行温度根据应用可以在40 °C至85 °C之间的任何温度。 脱脂槽

脱脂是去除金属表面上油脂和冷却油沉积物的过程，在机加工后和产品最终组装之前进行。在脱脂槽中，将材料浸入由盘管加热到90 °C至95 °C温度之间的溶液中。 金属处理槽

金属处理槽（有时称为大槽）用于多种不同工艺：

• 去除水垢或锈蚀。
• 在表面施加金属涂层。 处理温度通常在70 °C至85 °C之间。 储油罐

需要储存罐来存放无法在环境温度下泵送的油品，如锅炉用重油。在环境温度下，重油非常粘稠，必须加热到30 °C至40 °C以降低粘度并允许泵送。这意味着所有重油储存罐都需要提供加热以方便泵送。 过程工业中使用的加热罐

多种过程工业使用加热罐，见表2.9.1。

表2.9.1 使用加热罐的过程工业

在某些应用中，工艺流体可能已达到其工作温度，唯一的热需求可能是由于容器壁固体表面的损失和/或暴露于大气的液体表面的损失。

本模块将处理确定储罐能量需求的计算：接下来的两个模块（2.10和2.11）将处理如何提供这些能量。 当确定工艺流体储罐或容器的热需求时，总热需求可能由若干关键组成部分中的部分或全部组成：

1. 将工艺流体温度从冷态提升到工作温度所需的热量。
2. 将容器材料从冷态提升到工作温度所需的热量。
3. 从容器固体表面向大气的热损失。
4. 从暴露于大气的液体表面的热损失。
5. 浸入工艺流体中的任何冷物体吸收的热量。 然而，在许多应用中，只有上述部分组成部分是显著的。例如，对于完全封闭且保温良好的散装储油罐，总热需求可能几乎完全由提升流体温度所需的热量组成。 第1项和第2项（提升液体和容器材料温度所需的能量）以及第5项（浸入工艺流体中的冷物体吸收的热量）可以通过公式2.6.1计算。通常，数据可以准确定义，因此热需求的计算是简单直接且精确的。

第3项和第4项（容器和液体表面的热损失）可以使用公式2.5.3确定。

然而，热损失计算要复杂得多，通常必须依赖经验数据或基于若干假设的表格。因此热损失计算精度较低。

容器固体表面向大气的热损失 只有在表面与环境空气之间存在温差时才会发生热量传递。 图2.9.1提供了一些典型的裸露钢平板表面向环境空气的总传热系数。如果储罐底部不暴露于环境空气，而是平放在地面上，通常认为这部分热损失可以忽略不计，可以安全忽略。

• 对于25 mm保温，U值应乘以0.2的系数
• 对于50 mm保温，U值应乘以0.1的系数 图2.9.1中提供的总传热系数仅适用于”静止空气”条件。

表2.9.2显示了如果考虑空气速度需要应用到这些值的乘数系数。然而，如果表面保温良好，即使在暴露条件下，空气速度也不太可能使热损失增加超过10%。

表2.9.2 空气流动对传热的影响

低于1 m/s的速度可视为有遮蔽条件，5 m/s可视为微风（约蒲福风力等级3），10 m/s为和风（蒲福5级），16 m/s为中等阵风（蒲福7级）。

对于散装储油罐，可以使用表2.9.3中引用的总传热系数。

表2.9.3 油罐总传热系数

水箱：从水表面向大气的热损失 图2.9.2将水表面的热损失与空气速度和表面温度联系起来。在此图表中，“静止”空气的速度为1 m/s，室外有遮蔽位置的储罐考虑约4 m/s的速度，室外暴露位置的储罐考虑约8 m/s的速度。 此图表以W/m²而非总传热系数W/m² °C为单位提供热损失。这意味着该值必须乘以表面积以提供传热速率，因为水与空气之间的温差已被考虑在内。 如图2.9.2所示的水表面热损失不受空气湿度的显著影响。实际中可能遇到的全部湿度范围由曲线的厚度覆盖。然而，图表考虑的是空气温度15.6°C、空气湿度55%条件下的热损失。不同于此的条件可以从Spirax Sarco网站的工程支持中心计算。 要从图表确定热损失，必须从顶部刻度选择水表面温度。然后应向下作垂直线到（粗体）热损失曲线。

对于室内储罐，应从交点向左水平线到左侧刻度。 对于室外储罐，应向左或向右作水平线直到与所需位置（有遮蔽或暴露）相交。然后向下作垂直线将在底部刻度上显示热损失。 在大多数情况下，液体表面的热损失可能是最显著的热损失因素。在实际可行的情况下，可以通过在液体表面覆盖一层聚苯乙烯球来限制热损失，它们提供保温”毯”。当储罐位于室外暴露位置时，如图2.9.2所示，减少热损失的任何解决方案变得更加重要。

示例2.9.1

对于图2.9.3所示的储罐，确定： 第1部分。启动期间所需的平均传热速率。 第2部分。运行期间所需的最大传热速率。

• 储罐无保温且开口朝上，位于工厂内混凝土地面上。 长3 m、宽3 m、高2 m。 储罐总表面积 = 24 m²（不含底面）。 储罐/空气传热系数 U1 = 11 W/m² °C。 储罐装有2/3的稀酸溶液（cp = 3.9 kJ/kg °C），密度与水相同（1 000 kg/m³）
• 储罐由15 mm低碳钢板制造。（密度 = 7 850 kg/m³, cp = 0.5 kJ/kg °C）
• 储罐隔天使用，溶液需要在2小时内从最低考虑的环境温度8 °C提升到60 °C，并在白天保持该温度。
• 当储罐达到温度后，每20分钟浸入一个500 kg的钢件，储罐不会溢出。（cp = 0.5 kJ/kg °C

第1部分 - 确定Q̇M（启动）期间所需的平均传热速率

第1.2部分 加热储罐材料Q̇M（罐体）

第1.3部分 储罐侧壁热损失Q̇M（侧壁）

第1.4部分 液体表面热损失Q̇M（表面）

第1.5部分 总平均传热需求Q̇M（启动）

第2部分 - 确定运行负荷，即运行期间所需的最大传热速率Q̇（运行）

在运行条件下，液体和储罐（A1和A2，第2.9.6页）已达到工作温度，因此加热分量 = 0。 在运行条件下，液体和储罐的热损失（A3和A4）将更大。这是因为液体和储罐温度与周围环境之间更大的温差。 将物体浸入液体中显然是该工艺的目标，因此必须计算此热负荷并将其加到运行负荷热损失中。

第2.1部分 储罐侧壁热损失

第2.2部分 液体表面热损失Q̇（表面）

第2.3部分 加热浸入储罐的钢件Q̇（工件）

第2.4部分 总平均传热需求Q̇（运行）（运行负荷）

注意运行能量需求（59 kW）显著低于启动能量需求（367 kW）。这是典型的，在可能的情况下可以延长启动期。

这将降低最大能量流量，并具有平缓锅炉需求和减少对温控系统要求的好处。 对于连续运行的储罐，通常只需要计算运行需求，即第2部分的计算。