热量衡算方法及应用于塑料制品加工的实践

在塑料制品生产中，必须要将原料加热至熔融状态（或高弹态）才可成型制品，需要将热量传给塑料，制品成型后冷却定型，也要将热量移出，这两个过程都涉及热量传递的问题。通过热量衡算，可确定传热设备的热负荷，并根据在规定的时间内加入或移出的热量大小，确定传热剂的消耗量，选择合适的传热方式和计算加热介质的传热面积。对已投产的生产车间或设备装置进行热量衡算，在合理利用热量，提高传热设备的热效率、回收余热、降低产品的能耗等方面都有重要的意义。

5.2.1.1 热量衡算原理

热量衡算是在物料衡算的基础上进行的，其理论依据是热力学第一定律。即：

式中 ∑Q_入——输入设备热量的总和

∑Q_出——输出设备热量的总和

∑Q_损——损失热量的总和

热量衡算分单元设备热量衡算和全系统的热量衡算两种情况。当各个单元设备之间没有热量交换时，只需对有热量传输的独立设备进行热量衡算；当各个工序或单元操作之间有热量交换时，则需做全过程的热量衡算。

塑料制品加工过程很多情况是对单元设备的热量衡算，其热平衡方程式表示如下。

式中 Q₁——所处理的物料带入设备中的热量，kJ

Q₂——加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量，有正负分（加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），kJ

Q₃——过程的热效应（过程放热为“+”，过程吸热为“-”，注意Q与热焓相反，即Q=-ΔH。如过程放热，ΔH为“-”，Q为“+”），kJ

Q₄——离开设备物料带走的热量，kJ

Q₅——设备各部件所消耗的热量，kJ

Q₆——设备向外界环境散失的热量，又称为热损失，kJ

注意：根据塑料制品生产工艺过程不同，有的比较简单，有的较为复杂。因此，在热量衡算前，一定要弄清楚热量的形式，方程式中各量的正负号，采用合适的计算方法，如焓值法、比热容法或汽化热法。

5.2.1.2 热量衡算步骤

（1）绘制设备的热平衡图(www.xing528.com)

在塑料生产过程中，进、出设备的热量大致可分为下列几种：物料带入设备的热量，过程的热效应，反应物带出的热量，传热剂传入或传出的热量，设备的热损失等。对一个单元设备而言，上面所提到的热量形式不一定都有，也有可能还有其他形式的热量。为了帮助分析和减少差错，应先绘制设备的热平衡图，在图上将进、出设备的各种形式的热量标注出来。注意标明各物料温度、压力和焓等有关热量衡算的变量。

（2）合理确定计算基准

计算基准是指数量上的基准和基准态。数量基准与物料衡算基准相同，一般以处理每千克物料计算。基准相态视计算需要而定，可取0℃为计算基准，也可取某一温度值，如室温或进料温度为基准。由于手册上查到的热力学数据大多是25℃时的数据，所以当采用平均热容法计算时，推荐选取25℃作为基准温度。

（3）正确收集数据资料

热量衡算涉及物料量、物料状态和有关物质的热力学参数，如比热容、潜热、反应热、溶解热、稀释热和结晶热等。这些热力学数据可以从有关的物性参数手册、书刊等资料上查得，也可以从工厂实际生产数据中获取，或者根据有关热力学关联式计算或通过实验测得。

（4）计算各种形式热量的值

根据能量守恒定律，结合热量传递的特点，按设备热平衡图中标注的各种形式的热量，列出热量衡算方程式，用数学方法求解各未知量。

热量值计算可以采用比热容法或焓值法。焓值法与过程无关，可以不考虑物料由于相变过程而产生的相变潜热或结晶热等，计算比较简单。比热容法计算则与过程有关，在没有相变产生的过程中可用此法进行计算。

焓值法：

比热容法

式中 m——物料的质量，kg

h——物料的焓值，J/kg

c——物料的比热容，J/（kg·℃）

t——物料的温度，℃

（5）计算结果列表与校核

计算完毕后，将所得结果汇总，列出热量平衡表，检查热量是否平衡。对于热性质数据必需校核其应用范围的基准态和热流的正负号，确保其正确性。