聚二甲基硅氧烷在傳熱中的應(yīng)用【畢業(yè)論文】

1、撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院高職畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）畢業(yè)論文題目： 聚二甲基硅氧烷在傳熱中的應(yīng)用 系 別： 化工系 姓 名： 班 級(jí)： 精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù) 學(xué) 號(hào)： 1102020109 撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014 年 3月III撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院高職畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）摘 要聚硅氧烷具有硅原子和氧原子交替排列構(gòu)成的主鏈，且硅原子上連有有機(jī)基團(tuán)，這種結(jié)構(gòu)賦予了聚硅氧烷很多獨(dú)特性能，如熱氧穩(wěn)定性、低表面張力、透氣性、 優(yōu)異的介質(zhì)性能、生理惰性和抗?jié)裥缘取Ｕ且驗(yàn)檫@些性能而被得到了廣泛的應(yīng)用，在各個(gè)領(lǐng)域起到了重要的作用。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是最重要的有機(jī)硅高分子，應(yīng)用十分廣泛，在應(yīng)用是往往是混合物，不需要提純，盡管

2、有機(jī)硅品種繁多，但其起始生產(chǎn)原料僅限于為數(shù)不多的幾種有機(jī)硅單體，其中占絕對(duì)量的是聚二甲基硅氧烷，其次有苯基氯硅烷，前者用量占整個(gè)單體總量的90以上。本文將論述聚二甲基硅氧烷在傳熱方面的作用。 聚二甲基硅氧烷是整個(gè)有機(jī)硅工業(yè)的基礎(chǔ)，而甲基氯硅烷則是有機(jī)硅工業(yè)的支柱。大部分有機(jī)硅聚合物是通過(guò)聚二甲基硅氧烷為原料制得的聚二甲基硅氧烷為基礎(chǔ)聚合物，再引入其他基團(tuán)如苯基、乙烯基、氯苯基、氟烷基等，以適應(yīng)特殊需要。甲基氯硅烷生產(chǎn)流程長(zhǎng)、技術(shù)難度大，屬技術(shù)密集、資本密集型產(chǎn)業(yè)，所以國(guó)外各大公司都是基礎(chǔ)廠規(guī)?；薪ㄔO(shè)，而后加工產(chǎn)品則按用途、市場(chǎng)情況分散布點(diǎn)。關(guān)鍵詞：聚二甲基硅氧烷；硅分子；傳熱15目 錄摘

3、要I目 錄II1聚二甲基硅氧烷簡(jiǎn)介11.1 主要特性和物理性能指標(biāo)11.2 主要用途21.3 包裝及儲(chǔ)運(yùn)42 聚二甲基硅氧烷在傳熱中的應(yīng)用52.1 傳熱介質(zhì)的選擇及應(yīng)用52.1.1 傳熱的基本方式52.1.2傳熱介質(zhì)的選擇62.1.3傳熱介質(zhì)的應(yīng)用62.2 換熱流程與傳熱系統(tǒng)93 結(jié) 論14參考文獻(xiàn)15謝辭161聚二甲基硅氧烷簡(jiǎn)介1.1 主要特性和物理性能指標(biāo)主要特性聚二甲基硅氧烷一般是無(wú)色（或淡黃色），無(wú)味、無(wú)毒（近年來(lái)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此物質(zhì)對(duì)人體有害）、不易揮發(fā)的液體。硅油不溶于水、甲醇、二醇和-乙氧基乙醇，可與苯、二甲醚、甲基乙基酮、四氯化碳或煤油互溶，稍溶于丙酮、二惡烷、乙醇和了醇。它具有很

4、小的蒸汽壓、較高的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)、較低的凝固點(diǎn)。隨著鏈段數(shù)n的不同，分子量增大，粘度也增高，固此硅油可有各種不同的粘度，從0.65厘沲直到上百萬(wàn)厘沲。它具有優(yōu)良的耐熱、耐氧化、耐低溫性，可在低溫及高溫范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用；抗剪切性強(qiáng)，為一般礦物油的20倍以上的壓縮性，是理想的液體彈簧；溫粘系數(shù)低、低蒸汽壓、低表面張力、良好的增水性和潤(rùn)滑性；優(yōu)異的電氣特性，耐擊穿電壓高、耐電弧、耐電暈、介電耗小；還具有透光性好和對(duì)人體無(wú)毒害作用等優(yōu)點(diǎn)。聚二甲基硅氧烷是一種線(xiàn)形活性聚硅氧烷 ,屬于直鏈、兩端硅原子上直接連有羥基官能團(tuán)的硅官能基聚硅氧烷。這種硅官能基聚硅氧烷可通過(guò)進(jìn)一步的反應(yīng) ,制成高摩爾質(zhì)量的線(xiàn)型或交聯(lián)型聚

5、硅氧烷 ,是制備室溫硫化硅橡膠等產(chǎn)品的主要原料 ,產(chǎn)量很大 ,用途很廣。物理性能指標(biāo)表2-1 型號(hào)10-350物理性能指標(biāo)表型號(hào)201-10201-20201-50201-100201-350黏度（25），mm/s101202505100535025閃點(diǎn)，150200260290290密度（25），g/cm0.9310.9390.9460.9550.9560.9640.9610.9690.9650.973揮發(fā)份（150，3h）1.51.5表2-2 型號(hào)500-100000物理性能指標(biāo)表型號(hào)201-500201-1000201-5000201-10000201-100000黏度（25），mm/s

6、50025100050500025010000500100005000閃點(diǎn)，295300310310315密度（25），g/cm0.9660.9740.9670.9750.9670.9750.9670.9750.9670.975揮發(fā)份（150，3h）1.51.51.51.51.51.2 主要用途二甲基硅油具有各種優(yōu)異的特性，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各部門(mén)，國(guó)防工業(yè)，科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生等部門(mén)，都得了極其廣泛的應(yīng)用。它廣泛用于電氣絕緣、脫模、消泡、阻尼、防震、滾壓、防塵、防水、高低濕潤(rùn)等方面。 在機(jī)電工業(yè)中的應(yīng)用二甲基硅油廣泛用在電機(jī)、電器、電子儀表上作為耐溫、耐電弧電暈、抗蝕、防潮、防塵的絕緣介質(zhì)、目前

7、還用做變壓器、電容器、電視機(jī)的掃描變壓器的浸漬劑等。在各種精密機(jī)械、儀器及儀表中，用作液體防震、阻尼材料。二甲基硅油的消震性能受溫度影響小，多用于具有強(qiáng)烈機(jī)械震動(dòng)及環(huán)境溫度變化大的場(chǎng)合下，使用的儀表如：飛機(jī)、汽車(chē)的儀表中。用于防震、阻尼、穩(wěn)定儀表讀數(shù)，還可作為液體彈簧，且于飛機(jī)的著陸裝置中。作消泡劑由于二甲基硅油表面張力小，且不溶于水，動(dòng)植物油及高沸點(diǎn)礦物油中，化學(xué)穩(wěn)定性好、又無(wú)毒，用作為消泡劑已廣泛用于石油、化工、醫(yī)療、制藥、食品加工、紡織、印染、造紙等行業(yè)中，只要加入10-100PPM的硅油就具有良好的消泡劑作用。作脫模劑由于二甲基硅油與橡膠、塑料、金屬等的不粘性，又用做各種橡膠、塑料制品

8、成型加工的脫模劑，及用于精密鑄造中。用它做脫模劑不僅脫模方便，且使制品表面潔凈、光滑、紋理清晰。作絕緣、防塵、防霉涂層在玻璃、陶瓷器表面浸涂一層而二甲基硅油，并在250-300進(jìn)行熱處理后，可形成一層半永久性的防水、防霉和絕緣性的薄膜。用之處理絕緣器件，可提高器件的絕緣性能：用之處理光學(xué)儀器，能防止鏡片、棱鏡發(fā)霉；用之處理藥瓶，能延長(zhǎng)藥品的保存期，并不使制劑因粘壁而損失；處理電影膠片的表面，可起潤(rùn)滑作用，減少摩擦，延長(zhǎng)影片壽命。作潤(rùn)滑劑二甲基硅油適于做橡膠，塑料軸承、齒輪的潤(rùn)滑劑。也可做為在高溫下鋼材對(duì)鋼的滾動(dòng)磨擦，或鋼與其它金屬摩擦?xí)r的潤(rùn)滑劑，但由于在常溫下甲基硅油潤(rùn)滑性能并不特別好，一般情

9、況下，并不推薦做為常溫下金屬間的潤(rùn)滑劑。作添加劑二甲基硅油可作許多材料的添加劑，如可作為油漆的增光劑，加少量硅油到油漆中，可使油漆不浮包、不起皺提高漆膜的光亮度，加少量硅油到油墨中，可提高印刷質(zhì)量，加少量硅油到拋光油中（如汽車(chē)上光油），可增加光亮，保護(hù)漆膜，并有優(yōu)良的防水效果。在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用二甲基硅油對(duì)人體無(wú)生毒性，也不被體液分解，故在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中，也被廣泛應(yīng)用。利用其消泡作用，制成了口服胃腸消脹片，及肺水腫消泡氣霧劑等藥用。在藥膏中加入硅油，可提高藥物對(duì)皮膚的滲透能力，提高藥效。以硅油為基礎(chǔ)油的某些膏藥劑對(duì)燙傷、皮炎、褥瘡等都有很好的療效，利用硅油的抗凝血作用，可用其處理貯血器表面，延

10、長(zhǎng)血樣貯存時(shí)間等。其它方面二甲基硅油在其它方面還有許多用途。如：利用其閃點(diǎn)高、無(wú)嗅、無(wú)色、透明且對(duì)人體無(wú)毒等特性，在鋼鐵、玻璃、陶瓷等工業(yè)和科研中，作為油浴或恒溫器中的熱載體。利用其抗切變性能好，可做液壓油尤其是航空液壓油。用其處理人造絲紡絲頭，可消除靜電，提高抽絲質(zhì)量。在化妝品上加入硅油能提高對(duì)皮膚的滋潤(rùn)和保護(hù)作用等等。1.3 包裝及儲(chǔ)運(yùn)本品應(yīng)貯存在潔凈、密封、無(wú)鉛或錫合金的容器中、避免接觸酸、堿及混入其它雜質(zhì)。不要接觸明火。 本品按照非危險(xiǎn)品貯存及運(yùn)輸。 在符合 1 條包裝及貯存條件下，本品自生產(chǎn)之日算起，保管期為三年，超過(guò)保管期的產(chǎn)品，可以復(fù)驗(yàn)，合格后仍可使用。本品用200公斤裝鐵塑桶和

11、50公斤、25公斤、20公斤、10公斤、5公塑料桶包裝。2 聚二甲基硅氧烷在傳熱中的應(yīng)用2.1 傳熱介質(zhì)的選擇及應(yīng)用2.1.1 傳熱的基本方式一個(gè)物系或一個(gè)設(shè)備只要存在溫度差就會(huì)發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)沒(méi)有外功加入時(shí)，熱量 就總是會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射?；どa(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式。 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)是指在不涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)移的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位，或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)熱。熱對(duì)流熱對(duì)流是指不同溫度的流體各部分由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的熱量交換。工程上廣泛遇到

12、的對(duì)流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過(guò)程，它是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流綜合作用的結(jié)果。決定換熱強(qiáng)度的主要因素是對(duì)流的運(yùn)動(dòng)情況。熱輻射熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。它是波長(zhǎng)在0.1100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒(méi)有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽(yáng)就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對(duì)溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周?chē)h(huán)境對(duì)它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導(dǎo)致的熱量轉(zhuǎn)移稱(chēng)為輻射換熱。傳熱學(xué)是研究物體內(nèi)部或物體與物體之間由溫度差引起熱量傳遞過(guò)程的學(xué)科。飛行器及其推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展提出了大量的傳熱學(xué)問(wèn)題。傳熱的基本方式有導(dǎo)熱、對(duì)流傳

13、熱和輻射傳熱。傳熱不僅是常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，而且廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域。提高鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，防止燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過(guò)熱、減小內(nèi)燃機(jī)氣缸和曲軸的熱應(yīng)力、確定換熱器的傳熱面積和控制熱加工時(shí)零件的變形等，都是典型的傳熱問(wèn)題。實(shí)際傳熱過(guò)程一般都不是單一的傳熱方式，如火焰對(duì)爐壁的傳熱，就是輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的綜合，而不同的傳熱方式則遵循不同的傳熱規(guī)律。為了分析方便，人們?cè)趥鳠嵫芯恐邪讶N傳熱方式分解開(kāi)來(lái)，然后再加以綜合。2.1.2傳熱介質(zhì)的選擇簡(jiǎn)化換熱工藝流程的途徑-正確的選擇傳熱介質(zhì)，石化和精細(xì)化工及制藥等流程工業(yè)中，換熱是一種常用的工藝手段，換熱過(guò)程是不同工藝介質(zhì)之間熱量交換和轉(zhuǎn)移的過(guò)程。它的主要功能是保證工

14、藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高流程工業(yè)能源利用效率的主要突破點(diǎn)之一。工藝換熱包括加熱和冷卻兩種熱量傳遞方向不同的基本方式。根據(jù)冷卻傳熱介質(zhì)的工作溫度或被冷卻工藝物料所達(dá)到的溫度，工藝?yán)鋮s還可以被區(qū)分為撤熱冷卻（冷卻介質(zhì)和工藝物料在環(huán)境溫度以上）、低溫冷卻（冷卻介質(zhì)和工藝物料在環(huán)境溫度至-30之間）和深度冷卻（冷卻介質(zhì)和工藝介質(zhì)在-30以下）。在流程工業(yè)中，對(duì)上述區(qū)分尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的嚴(yán)格界定。2.1.3傳熱介質(zhì)的應(yīng)用聚二甲基硅氧烷長(zhǎng)期以來(lái)在汽車(chē)應(yīng)用中被用作傳熱材料。作為T(mén)IM，它們具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括高低溫穩(wěn)定性、本身固有的低離子含量及很高的純度。而且，由于其可與基板實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的表面接觸

15、和無(wú)孔隙界面，因而它們常常是TIM的首選。而且固化后的聚二甲基硅氧烷材料具有廣泛的物理性能，可適應(yīng)各種具體的應(yīng)用。固化的聚二甲基硅氧烷在化學(xué)性質(zhì)上為惰性，可在-45到+200的溫度范圍內(nèi)保持物理性能，這使其成為極少數(shù)能夠承受前艙電子部件惡劣運(yùn)行環(huán)境的材料之一。由于模量很低，聚二甲基硅氧烷T(mén)IM具有足夠的柔性，可適應(yīng)不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)，傳遞到部件或基板的應(yīng)力達(dá)到最小。聚二甲基硅氧烷有一系列獨(dú)特的物理和電氣性能，可有效促進(jìn)散熱。有機(jī)硅TIM的形式多樣，包括粘合劑、凝膠、灌封劑、填隙料、裝配式墊片和相變材料等。確定使用TIM時(shí)，需要綜合平衡熱性能、物理性質(zhì)、加工簡(jiǎn)易度及成本等因素。雖然TIM

16、有助于提高汽車(chē)電子器件的性能和可靠性，但這些材料僅是散熱解決方案的一部分。在低功率電器中，一般通過(guò)銅的地線(xiàn)板和散熱通孔散熱。車(chē)窗控制器和電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置等中等功率的電器，或混合動(dòng)力汽車(chē)的變換器和逆變器等高功率電器，通常采用絕緣金屬和直接敷銅等導(dǎo)熱基板。在要求更強(qiáng)的熱控時(shí)，需使用TIM。 接口材料的熱性能主要取決于綜合的材料特性，包括本體熱傳導(dǎo)率、TIM/基板界面的接觸熱阻及鍵合線(xiàn)厚度(BLT) 等。材料開(kāi)發(fā)中，通常需要達(dá)到高本體熱傳導(dǎo)率、低BLT(100mm)、高介電強(qiáng)度、低界面電阻和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。此外，與基板緊密接觸的能力也是材料的一個(gè)重要特性，不管是對(duì)于更換型材料還是預(yù)先裝配好的形狀，這種

17、性能都有助于消除氣隙，最大程度提高熱傳遞。此外，保持電絕緣性能(可無(wú)需使用金屬填料)是實(shí)現(xiàn)更高熱傳導(dǎo)率需要克服的障礙之一。有機(jī)硅TIM有多種形式： 灌封劑和凝膠灌封劑(或封裝化合物)和凝膠用于嵌入整個(gè)電路組件，以最大程度提高熱傳遞(通常為多個(gè)方向)，并為器件或電路提供一定程度的物理保護(hù)。灌封劑固化為耐久的彈性橡膠，提供更大的物理保護(hù)，而更軟的凝膠則可更多地減緩熱膨脹和機(jī)械應(yīng)力。這些可流動(dòng)的液體也可用作填隙料，或用來(lái)連接電路和熱沉，便于自動(dòng)生產(chǎn)的大批量加工。灌封劑一般為雙組分熱固配方形式，幾乎在任何厚度下都能固化。它比凝膠的機(jī)械強(qiáng)度更高。凝膠通常也為雙組分材料，為易碎部件最大化減緩應(yīng)力。它們不需

18、要很高的壓力就能輕松地流入不規(guī)則表面，表現(xiàn)出非常低的界面接觸阻力。 粘合劑由于導(dǎo)熱粘合劑能夠填滿(mǎn)不規(guī)則形狀的間隙，產(chǎn)生更大的接觸面積，最大化熱傳導(dǎo)，因而，增強(qiáng)了電子器件的設(shè)計(jì)靈活性。同樣，在不能?chē)?yán)格控制零件的平面度和裝配公差時(shí)，它們還能提高生產(chǎn)的可靠性和成本效率。有機(jī)硅配方一般為沒(méi)有腐蝕性的熱固化材料，在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生很多副產(chǎn)物，這使其即使在完全封閉的情況下也能作為結(jié)構(gòu)膠使用，而無(wú)需機(jī)械固定裝置。粘合劑產(chǎn)品包括低粘度液體及不塌落配方等。有機(jī)硅可為單組分或雙組分配方，具有熱固化或濕固化的機(jī)理。粘合劑緊密的表面接觸有助于減少界面熱阻，且特殊的有機(jī)硅配方甚至有微隔離珠，以實(shí)現(xiàn)十分均勻的鍵合線(xiàn)，同

19、時(shí)為底板的偏差和小的彎曲留有余地。可流動(dòng)的材料也可作為導(dǎo)熱灌封劑使用。很多產(chǎn)品都具有寬廣的固化范圍，可適應(yīng)各種固化條件和加工速度，有的可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 4.0 W/mK的熱傳導(dǎo)率。固化時(shí)，導(dǎo)熱粘合劑轉(zhuǎn)化為堅(jiān)固但柔軟的彈性體。這類(lèi)材料非常適于許多汽車(chē)前艙應(yīng)用的苛刻工作環(huán)境，目前被用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、制動(dòng)和懸掛控制器、風(fēng)扇控制器和變速器電器應(yīng)用中。其他可能的應(yīng)用包括各類(lèi)電源、傳感器。填隙料接口材料的一個(gè)關(guān)鍵功能是完全填補(bǔ)任何不規(guī)則表面并將空氣排出。實(shí)際上，材料或復(fù)合材料的本體熱傳導(dǎo)率可能并不如流動(dòng)和潤(rùn)濕基板的能力重要。從熱傳導(dǎo)的角度來(lái)看，導(dǎo)熱油脂很適合TIM應(yīng)用，但是油脂在較高溫度下可能易被抽空，尤其是

20、在經(jīng)過(guò)反復(fù)的熱循環(huán)后。填隙料通過(guò)一種干法技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題。它們通常比粘合劑軟，具有極好的應(yīng)力減緩能力，且一般比粘合劑產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)率更高。填隙料使用時(shí)，一般有機(jī)械固定，具有傳統(tǒng)油脂的性能優(yōu)勢(shì)，但又保持了自我支撐。在低至0.703 kg/cm2的壓力下，可觀察到這類(lèi)替代性材料的完全流動(dòng)，它們還可在部件表面直接印刷和固化，或采用貼膜轉(zhuǎn)移工藝用作預(yù)固化墊片。墊片墊片形式的有機(jī)硅用于導(dǎo)熱填隙料(一般為16mm厚)和薄TIM墊片(通常0.21.0mm厚)。彈性體墊片不僅使用簡(jiǎn)便，而且具有良好的耐久性，是現(xiàn)有的少數(shù)可修補(bǔ)材料之一。極低模量的新有機(jī)硅墊片和TIM墊片形式的有機(jī)硅用于導(dǎo)熱填隙料(一般為16mm

21、厚)和薄TIM墊片(通常0.21.0mm厚)。彈性體墊片不僅使用簡(jiǎn)便，而且具有良好的耐久性，是現(xiàn)有的少數(shù)可修補(bǔ)材料之一。極低模量的新有機(jī)硅墊片和TIM已顯示出可實(shí)現(xiàn)與許多液體配料相當(dāng)?shù)男阅埽覠o(wú)需計(jì)量、混合或固化。2.2 換熱流程與傳熱系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，傳熱系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為采用單一溫度加熱或多種溫度加熱、單一溫度冷卻或多種溫度冷卻、加熱和冷卻交替進(jìn)行等不同換熱流程的系統(tǒng)。在同一傳熱系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)同一設(shè)備對(duì)工藝物料進(jìn)行加熱和冷卻交替的換熱，或同時(shí)通過(guò)不同設(shè)備對(duì)工藝物料進(jìn)行加熱和冷卻的換熱過(guò)程是一種復(fù)雜的換熱流程，此類(lèi)系統(tǒng)與具有簡(jiǎn)單換熱流程的傳熱系統(tǒng)相比，其復(fù)雜性在于加熱和冷卻過(guò)程的熱量傳遞方向完全

22、相反，同一系統(tǒng)中兩個(gè)換熱過(guò)程之間發(fā)生的相互作用，會(huì)使加熱和冷卻換熱的功能和能力抵消或降低，且其能源利用效率會(huì)降低。此外，不同工作溫度的換熱對(duì)傳熱介質(zhì)的性質(zhì)和性能要求不同，加熱和冷卻換熱之間的溫差越大，所用傳熱介質(zhì)在熱態(tài)和冷態(tài)條件下的性質(zhì)和性能差異就越大，對(duì)換熱設(shè)備和系統(tǒng)在換熱效率和安全運(yùn)行方面的影響就越大。以下僅針對(duì)具有加熱和冷卻需求的換熱流程，根據(jù)一般性工藝要求的情況，就簡(jiǎn)化其換熱流程，降低能源消耗，提高設(shè)備生產(chǎn)效率等問(wèn)題進(jìn)行分析。加熱和撤熱冷卻工藝具有加熱和撤熱冷卻需求的換熱流程通常用于石油化工及精細(xì)化工流程中合成、加氫、分離及干燥等工藝，這些工藝過(guò)程一般被控制在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)進(jìn)行，在此

23、過(guò)程中需要通過(guò)換熱以實(shí)現(xiàn)流程溫度的控制。完成工藝過(guò)程后，需要將處理后物料的溫度調(diào)整到下道工序所要求的溫度，為了縮短操作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，一般會(huì)對(duì)高溫物料進(jìn)行撤熱冷卻并回收其中的余熱加以利用。根據(jù)工藝換熱目的和工作溫度的不同，加熱和冷卻可分別在兩個(gè)設(shè)備中進(jìn)行，并可以在換熱過(guò)程中使用相同或不同的傳熱介質(zhì)。而傳熱系統(tǒng)設(shè)備的增加，將會(huì)提高投資成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。為了便于工藝流程切換和簡(jiǎn)化系統(tǒng)，加熱和撤熱冷卻過(guò)程可在同一設(shè)備中完成，并使用同一種傳熱介質(zhì)，該介質(zhì)既能適用于加熱條件又能適用于冷卻條件，并應(yīng)在工藝溫度變化范圍內(nèi)具有良好的傳熱和安全性能如某化工廠15臺(tái)反應(yīng)釜，物料的合成反應(yīng)溫度為280，反應(yīng)后

24、物料退料溫度為140，加熱介質(zhì)的工作溫度為310。反應(yīng)釜原設(shè)計(jì)僅有加熱流程，反應(yīng)后物料需要自然冷卻至退料溫度，生產(chǎn)效率較低。為了提高反應(yīng)釜的生產(chǎn)效率，該廠在工藝系統(tǒng)中增加撤熱冷卻流程，傳熱介質(zhì)的工作溫度為120，撤出的余熱用于加熱生產(chǎn)用水。為了最大限度縮短反應(yīng)器內(nèi)的物料冷卻時(shí)間，同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了使用同一種傳熱介質(zhì)聚二甲基硅氧烷（具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和良好的高溫流動(dòng)性的液相合成型有機(jī)熱載體，可滿(mǎn)足-20330溫度范圍內(nèi)加熱和冷卻的換熱需求）完成物料的加熱和撤熱冷卻過(guò)程，并采用在反應(yīng)釜加熱盤(pán)管的進(jìn)出口處對(duì)加熱和冷卻的傳熱介質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)切換，使高溫和低溫傳熱介質(zhì)依次通過(guò)原有反應(yīng)器加熱盤(pán)管直接對(duì)物

25、料進(jìn)行加熱及撤熱冷卻。經(jīng)過(guò)對(duì)該流程的簡(jiǎn)單改造，僅在原有生產(chǎn)系統(tǒng)中增加了一臺(tái)高溫傳熱介質(zhì)循環(huán)泵和一臺(tái)油/水換熱器（作為該系統(tǒng)的冷源，并用于生產(chǎn)熱水）。改造后每臺(tái)反應(yīng)器物料的冷卻時(shí)間可以縮短2/3，同時(shí)系統(tǒng)耗能也有所下降。加熱、撤熱冷卻和低溫冷卻工藝具有加熱、撤熱冷卻和低溫冷卻需求的換熱流程通常用于精細(xì)化工、生物化工和制藥等工業(yè)流程中合成、氫化、分離、提純和萃取等工藝。生產(chǎn)工藝中的合成、氫化及氣液分離等工序大多需要在較高的溫度條件下實(shí)施，而固液分離、低溫提純和萃取等工序大多需要在較低的溫度條件下實(shí)施。此類(lèi)情況下如首先對(duì)高溫物料進(jìn)行撤熱冷卻，將高溫物料中的熱量回收，并利用環(huán)境溫度條件對(duì)物料進(jìn)一步冷卻

26、降溫，即可提高傳熱系統(tǒng)的熱能利用率和減少冷能消耗量。在撤熱冷卻的基礎(chǔ)上，再對(duì)物料進(jìn)行低溫冷卻，既節(jié)能又可降低生產(chǎn)成本。如將此工藝過(guò)程設(shè)計(jì)在多個(gè)設(shè)備中進(jìn)行，則傳熱系統(tǒng)至少需增加一臺(tái)設(shè)備，增加了設(shè)備投資和系統(tǒng)的復(fù)雜性。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作、減少設(shè)備投資，將此工藝過(guò)程設(shè)計(jì)在同一設(shè)備中完成，并在三個(gè)換熱過(guò)程中使用同一種傳熱介質(zhì)，該傳熱介質(zhì)既能適用于加熱條件又能適用于低溫冷卻條件，并在工藝溫度變化范圍內(nèi)具有良好的傳熱和安全性能。如某藥業(yè)公司研發(fā)中心的研發(fā)及生產(chǎn)用反應(yīng)釜，物料的合成反應(yīng)溫度為130，反應(yīng)后物料的結(jié)晶溫度為-20，加熱介質(zhì)的工作溫度為150，撤熱冷卻介質(zhì)的工作溫度為40，低溫冷卻介質(zhì)的工作溫度為

27、-25。如果采用三種不用的換熱介質(zhì)（即采用150的低壓蒸汽、常溫冷卻水以及鹽水或乙二醇水溶液），因其各自的物理性質(zhì)或使用條件不同，三者不能混合，故只能通過(guò)多個(gè)換熱設(shè)備完成三個(gè)換熱過(guò)程，增加了生產(chǎn)成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。根據(jù)國(guó)外工藝供應(yīng)商的要求，該工藝系統(tǒng)需要使用同一種傳熱介質(zhì)，并且應(yīng)在同一個(gè)設(shè)備中完成三個(gè)換熱過(guò)程。因此選擇一種既適用于150以上加熱又適用-25以下冷卻，同時(shí)還應(yīng)符合藥品生產(chǎn)所要求安全條件的傳熱介質(zhì)，是該工藝流程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。該系統(tǒng)使用的傳熱介質(zhì)是THERMINOL D12，一種具有良好的熱穩(wěn)定性、低溫流動(dòng)性和適中的高、低溫傳熱性能的液相合成型有機(jī)熱載體，可滿(mǎn)足于-60230溫

28、度范圍內(nèi)加熱和冷卻的換熱需求。THERMINOL D12 具有良好的安全性，并獲得了FDA認(rèn)證，可以在食品和藥品生產(chǎn)的間接加熱系統(tǒng)中使用。加熱、撤熱冷卻、低溫冷卻和深度冷卻工藝同時(shí)具有加熱、撤熱冷卻、低溫冷卻和深度冷卻需求的換熱流程在國(guó)內(nèi)流程工業(yè)中并不多見(jiàn)。隨著大量新技術(shù)和新工藝的引進(jìn)和應(yīng)用，精細(xì)化工、生物化工和制藥等工業(yè)流程中將合成、氫化、分離、萃取和凍干等諸多工藝組合應(yīng)用，成為工業(yè)領(lǐng)域工藝改造和技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì), 因而此類(lèi)復(fù)雜的換熱流程逐漸得到實(shí)際應(yīng)用。將上述四種換熱工藝置于同一工藝系統(tǒng)，其難點(diǎn)在于如何根據(jù)工藝要求及其工作溫度條件，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單合理的換熱流程，既能符合工藝需求又可實(shí)現(xiàn)低能耗

29、、低成本。在4個(gè)換熱過(guò)程中，各種換熱流程之間的差異、工藝加熱及冷卻的負(fù)荷大小和分配方式以及傳熱介質(zhì)的工作溫度要求，是傳熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)條件。對(duì)于具有多種換熱需求的復(fù)雜傳熱系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)中使用的傳熱介質(zhì)種類(lèi)越少，其換熱流程和傳熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)就越簡(jiǎn)單。首先應(yīng)根據(jù)各個(gè)過(guò)程在工藝目的和工作溫度方面的差異，將需要由熱源提供熱量和由冷源提供冷量的兩類(lèi)換熱情況區(qū)分開(kāi)來(lái)，把操作負(fù)荷或工作溫度差異最大的換熱過(guò)程與其他換熱過(guò)程分別處理，并盡可能避免將兩個(gè)工作溫度相差較大的換熱過(guò)程安排在相鄰的換熱流程中；適合在同一設(shè)備中完成的換熱過(guò)程可合并在同一個(gè)換熱流程之中；需要在不同設(shè)備中完成的換熱過(guò)程，盡可能采用與其他設(shè)備工

30、作溫度相近的同一種傳熱介質(zhì)；不同的換熱過(guò)程需要傳熱介質(zhì)的工作溫度差異不大時(shí)，應(yīng)盡量選擇使用同一種傳熱介質(zhì)。在傳熱系統(tǒng)中，作為熱源的設(shè)備應(yīng)按照加熱過(guò)程所需的最高工作溫度和該系統(tǒng)最大加熱負(fù)荷確定其供熱能力，對(duì)于系統(tǒng)中各加熱過(guò)程所需工作溫度更低的傳熱介質(zhì)（包括撤熱冷卻傳熱介質(zhì)），一般可按照其需要的工作溫度，將系統(tǒng)中具有不同溫度的同一種傳熱介質(zhì)按比例直接混合而獲得，或通過(guò)與外界低溫介質(zhì)換熱后獲得；作為冷源的設(shè)備則應(yīng)按照低溫冷卻負(fù)荷和深度冷卻負(fù)荷的大小及其工作溫度分別配置系統(tǒng)的制冷能力，因?yàn)樵谥评溥^(guò)程中，與低溫冷卻負(fù)荷相比，相同冷量的深度制冷需要消耗更多能量，故從節(jié)能角度考慮，需對(duì)其冷卻負(fù)荷分類(lèi)管理，并

31、推薦將經(jīng)一級(jí)制冷后的低溫冷卻用傳熱介質(zhì)，經(jīng)二級(jí)制冷系統(tǒng)換熱后，使其達(dá)到深度冷卻所需的工作溫度，有利于減少制冷設(shè)備的投資、降低能耗。如某精細(xì)化工公司的醫(yī)藥中間體生產(chǎn)車(chē)間，其生產(chǎn)工藝中包括4個(gè)換熱過(guò)程，即加熱過(guò)程（傳熱介質(zhì)工作溫度為300）、撤熱冷卻過(guò)程（兩種傳熱介質(zhì)的工作溫度分別為150和40）、低溫冷卻過(guò)程（傳熱介質(zhì)工作溫度為-25）和深度冷卻過(guò)程（傳熱介質(zhì)工作溫度為-50），其中深度冷卻為間歇性操作，其余為連續(xù)操作。根據(jù)需求，該生產(chǎn)工藝需要通過(guò)一個(gè)熱源向加熱介質(zhì)提供熱量，因此系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一臺(tái)電加熱有機(jī)熱載體鍋爐作為熱源；同時(shí)需要通過(guò)冷源向3個(gè)冷卻過(guò)程提供冷卻，按照設(shè)計(jì)溫度要求，在該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置四

32、種不同型式的冷源。對(duì)于撤熱過(guò)程使用的兩種傳熱介質(zhì)采用兩段分別冷卻方式，第一段是將生產(chǎn)原料作為冷源，采用余熱回收利用方式將第一種傳熱介質(zhì)冷卻至150，第二段采用循環(huán)冷卻水作為冷源傳熱介質(zhì)冷卻至40；通過(guò)一級(jí)制冷系統(tǒng)為低溫冷卻過(guò)程使用的傳熱介質(zhì)提供冷量；深度冷卻過(guò)程使用的傳熱介質(zhì)，是經(jīng)一級(jí)制冷系統(tǒng)冷卻后，又通過(guò)二級(jí)制冷系統(tǒng)循環(huán)并由其提供冷量的傳熱介質(zhì)。該系統(tǒng)首先利用撤熱過(guò)程中得到的余熱對(duì)原料罐中的生產(chǎn)原料預(yù)熱，縮短了物料在反應(yīng)釜內(nèi)的預(yù)熱時(shí)間，采用經(jīng)鍋爐加熱后的高溫有機(jī)熱載體對(duì)釜內(nèi)工藝物料加熱至反應(yīng)溫度。由于物料的撤熱過(guò)程和預(yù)熱過(guò)程需要在同一步驟的流程中連續(xù)進(jìn)行，而加熱過(guò)程與撤熱過(guò)程需要在同一反應(yīng)釜

33、中完成，所以物料的加熱、撤熱和預(yù)熱過(guò)程需要在反應(yīng)釜和原料儲(chǔ)罐兩個(gè)設(shè)備中完成，但三個(gè)換熱過(guò)程可由同一種傳熱介質(zhì)完成。反應(yīng)后的物料經(jīng)第一段撤熱冷卻達(dá)到退料溫度時(shí)，物料將進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行第二段撤熱冷卻和低溫冷卻，即使用40的傳熱介質(zhì)繼續(xù)對(duì)物料撤熱，并在達(dá)到其撤熱冷卻溫度后，切換低溫傳熱介質(zhì)對(duì)其進(jìn)行低溫冷卻，直至物料達(dá)到工藝要求的低溫分離溫度。完成低溫分離后的物料被送入速凍干燥器進(jìn)行深度冷卻以脫水干燥。雖然第二段撤熱冷卻和低溫冷卻過(guò)程在同一設(shè)備中完成，而深度冷卻過(guò)程是在獨(dú)立的設(shè)備中完成，由于深度冷卻與低溫冷卻過(guò)程采用同一種傳熱介質(zhì)，故3個(gè)換熱過(guò)程使用同一種傳熱介質(zhì)。該系統(tǒng)在加熱和第一段撤熱冷卻過(guò)程使

34、用的傳熱介質(zhì)為T(mén)HERMINOL66（適合用于高溫低壓條件的液相合成有機(jī)熱載體，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和熱物理性質(zhì)，適用于-7350的操作范圍）。該系統(tǒng)在撤熱冷卻、低溫冷卻和深度冷卻過(guò)程使用的傳熱介質(zhì)為T(mén)HERMINOLD12。換熱流程的簡(jiǎn)化和傳熱介質(zhì)的選擇可以看到，對(duì)復(fù)雜換熱過(guò)程中使用的換熱設(shè)備及傳熱介質(zhì)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)和選擇，能夠達(dá)到簡(jiǎn)化換熱流程、減少設(shè)備投資、提高設(shè)備生產(chǎn)效率和節(jié)能增效的目的。提高換熱效率是換熱過(guò)程中達(dá)到節(jié)能增效的核心要求。傳熱介質(zhì)的性質(zhì)及選擇和使用方式對(duì)換熱過(guò)程起到直接作用，在同一工藝系統(tǒng)中減少所使用傳熱介質(zhì)的種類(lèi)，簡(jiǎn)化了整個(gè)工藝的復(fù)雜性。根據(jù)工藝換熱要求正確地選擇復(fù)雜換熱過(guò)

35、程需要的傳熱介質(zhì)，其選擇要點(diǎn)是適用于寬泛的工作溫度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、在工藝溫度變化范圍內(nèi)具有良好的熱物理性質(zhì)和高/低溫操作性能。同時(shí)，所選擇傳熱介質(zhì)還應(yīng)符合與工藝物料不發(fā)生反應(yīng)、對(duì)設(shè)備不腐蝕、對(duì)操作人員健康不具危害且環(huán)境友好的基本條件3 結(jié) 論通過(guò)對(duì)聚二甲基硅氧烷傳熱的理論學(xué)習(xí)與研究，結(jié)合實(shí)際操作，通過(guò)對(duì)換熱流程的簡(jiǎn)化進(jìn)行傳熱介質(zhì)的選擇，最終達(dá)到換熱效率的提高，起到節(jié)能增效的目的。論文的開(kāi)頭對(duì)傳熱知識(shí)做了簡(jiǎn)單介紹，而對(duì)聚二甲基硅氧烷的介紹是為了傳熱介質(zhì)的選擇而準(zhǔn)備，所以選擇傳熱介質(zhì)時(shí)，一定要把握每一種傳熱介質(zhì)的每一種性質(zhì)。論文中舉得幾個(gè)例子充分說(shuō)明了選取傳熱介質(zhì)的重要性通過(guò)對(duì)傳熱學(xué)的簡(jiǎn)單介紹和研

36、究，對(duì)傳熱學(xué)有了一定的了解，我們可以把傳熱學(xué)作為理論指導(dǎo)，從而引用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，為實(shí)際生產(chǎn)作鋪墊。聚二甲基硅氧烷是硅油的一種，它作為一種良好的傳熱介質(zhì)被用于傳熱?，F(xiàn)在就拿出一臺(tái)反應(yīng)器當(dāng)例子，這臺(tái)反應(yīng)器要想反應(yīng)，其中有個(gè)熱環(huán)境是必須的，熱環(huán)境可以降低反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)的電壓，因此起到保護(hù)作用。要說(shuō)明的是反應(yīng)器內(nèi)充滿(mǎn)反應(yīng)氣體，該氣體是易燃易爆的，所以要求熱環(huán)境的穩(wěn)定性一定得保證。通過(guò)對(duì)比，利用其閃點(diǎn)高、無(wú)嗅、無(wú)色、透明且對(duì)人體無(wú)毒等特性，在鋼鐵、玻璃、陶瓷等工業(yè)和科研中，作為油浴或恒溫器中的熱載體。而且工藝要求溫度很高，只有硅油可以達(dá)到該要求，它的閃點(diǎn)很高，因此保證安全。當(dāng)反應(yīng)器啟動(dòng)后開(kāi)始反應(yīng)，就會(huì)放

37、出大量的熱，此時(shí)硅油為系統(tǒng)帶走熱量，該過(guò)程中可以體現(xiàn)出熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種傳熱方式。硅油的儲(chǔ)熱能力很高，從反應(yīng)器帶出的熱量送到現(xiàn)場(chǎng)作為生產(chǎn)中壓蒸汽的載熱體。在這可以體現(xiàn)出節(jié)約熱資源，為其他工段提供蒸汽。避免了熱量的損失。在這個(gè)過(guò)程中不僅用硅油介質(zhì)加熱，也用到了冷卻，所以說(shuō)一種傳熱介質(zhì)起到了雙重作用，那么我們?cè)趥鳠峤橘|(zhì)的選擇上就得到了簡(jiǎn)化，免去了多種介質(zhì)的操作為生產(chǎn)帶來(lái)許多麻煩。參考文獻(xiàn)1 王箴. 化工辭典(第三版). 化學(xué)工業(yè)出版社M, 1992.2 鄒華生, 鐘理, 伍欽. 流體力學(xué)與傳熱M. 華南理工大學(xué)出版社, 2004.3 鄧建成. 大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)M. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

38、4 黃少烈, 鄒華生. 化工原理M. 北京:高等教育出版社, 2002.5 陳敏恒, 叢德滋, 方圖南. 化工原理上冊(cè)M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.6 柴誠(chéng)敬, 張國(guó)量. 化工流體流動(dòng)與傳熱M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.7 陳濤, 張國(guó)亮. 化工傳遞過(guò)程基礎(chǔ)M, 第二版. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.8 蔣維鈞, 余立新. 化工原理（流體流動(dòng)與傳熱）M. 北京:清華大學(xué)出版社, 2005.9 王運(yùn)東. 傳遞過(guò)程原理M. 北京:清華大學(xué)出版社, 2002.10 戴干策, 陳敏恒. 化工流體力學(xué)第二版M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.謝辭隨著論文的終結(jié)，意味著我生命

39、中最純美的學(xué)生時(shí)代即將結(jié)束，盡管百般不舍，這一天終究會(huì)在熙熙攘攘的喧囂中決絕的來(lái)臨。 三年寒窗，所收獲的不僅僅是愈加豐厚的知識(shí)，更重要的是在閱讀、實(shí)踐中所培養(yǎng)的思維方式、表達(dá)能力和廣闊視野。很慶幸這些年來(lái)我遇到了許多恩師益友，無(wú)論在學(xué)習(xí)上、生活上都給予了我無(wú)私的幫助和熱心的照顧，讓我在諸多方面都有所成長(zhǎng)。感恩之情難以用語(yǔ)言量度，謹(jǐn)以最樸實(shí)的話(huà)語(yǔ)致以最崇高的敬意。 同時(shí)還感謝三年來(lái)幫助和教育過(guò)我的導(dǎo)員的其他任課老師一路走來(lái)，從你們的身上我收獲無(wú)數(shù)，卻無(wú)以回報(bào)，謹(jǐn)此一并表達(dá)我的謝意。感謝陳嬈老師和杜超、王海東等同學(xué)。在實(shí)習(xí)過(guò)程中，他們還常常在百忙之中抽空與我們聊天，指導(dǎo)我們的論文和工作。他們的品質(zhì)

40、和熱情深深的打動(dòng)了我，其諄諄教誨也銘記于我心，對(duì)此我深深感激。在論文的撰寫(xiě)和資料搜集期間，前人的資料對(duì)我提供了莫大的幫助，這里再次感謝。還有許多人，也許他們只是我生命中匆匆的過(guò)客，但他們對(duì)我的支持和幫助依然在我記憶中留底了深刻的印象。在此無(wú)法全部羅列，但對(duì)他們我始終心懷感激。 9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpR89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849GxG89AmUE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE

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