tài liệu giảng dạy truyền nhiệt sấy chương 5 đun nóng làm nguội ngưng tụ

Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 75 - CHƯƠNG 5 ĐUN NÓNG – LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ 5.1. ĐUN NÓNG 5.1.1. Nguồn nhiệt - Năng lượng nhiệt cần thiết để đun nóng có thể tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau và từ những nguồn khác nhau: + Sử dụng nguồn nhiệt trực tiếp: khói lò, dòng điện,… + Dùng những chất tải nhiệt trung gian (chất này lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng): hơi nước, nước nóng, dầu khoáng, chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi của nó, hoặc các chất tải nhiệt đặc biệt như muối vô cơ nóng chảy, kim loại nóng chảy,… + Sử dụng nhiệt của khí hay chất lỏng thải ra còn nhiệt độ tương đối cao. - Mỗi chất tải nhiệt đều có ưu nhược điểm riêng. Do đó, tuỳ trường hợp cụ thể mà ta lựa chọn chất tải nhiệt làm việc thích hợp nhất. Điều kiện lựa chọn là: + Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ đủ và tốt. + Áp suất hơi bão hòa và độ bền về nhiệt tốt. + Độ độc và tính hoạt động hoá học ít. + Độ an toàn khi đun nóng cao (không cháy, nổ,…). + Không ăn mòn thiết bị và bảo đảm cung cấp nhiệt độ ổn định. + Rẻ và dễ tìm. 5.1.2. Các phương pháp đun nóng 5.1.2.1. Đun nóng bằng hơi nước bão hoà - Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phNm vì có một số ưu điểm sau: + Hệ số cấp nhiệt lớn, thường α = 10.000 ÷ 15.000 w/m 2 độ. Do đó bề mặt truyền nhiệt nhỏ nghĩa là kích thước thiết bị gọn hơn các thiết bị đun nóng bằng các chất tải nhiệt khác khi cùng một năng suất tải nhiệt. + Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo 1 đơn vị chất tải nhiệt) vì đó là Nn nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi (Nn nhiệt hoá hơi lớn). + Vận chuyển xa được dễ dàng theo đường ống. + Đun nóng được đồng đều vì hơi ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt ở nhiệt độ không đổi. + Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi. Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 76 - 2 3 4 5 - Nhược điểm: Không thể đun nóng lên đến nhiệt độ cao được vì khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng, do đó dễ hỏng thiết bị (nhiệt độ tăng cũng làm Nn nhiệt r giảm  lượng hơi đốt tăng). VD: Hơi nước ở 350 o C thì áp suất hơi bão hoà là 180at, ở 374 o C (nhiệt độ tới hạn), áp suất là 225at và Nn nhiệt hoá hơi r =0. Do đó, khi tăng nhiệt độ thì thiết bị sẽ phức tạp thêm, hiệu suất sử dụng nhiệt sẽ bị giảm, vì vậy phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa chỉ sử dụng tốt nhất trong trường hợp đun nóng không quá 180 o C.  Đun nóng bằng hơi nước trực tiếp Cho hơi nước bão hoà từ lò hơi sục thẳng vào trong chất lỏng cần đun nóng, hơi nước ngưng tụ và cấp Nn nhiệt cho chất lỏng, nước ngưng sẽ trộn lẫn với chất lỏng. - Ưu điểm: + Đơn giản + Hiệu suất truyền nhiệt rất lớn - Nhược điểm: Đưa thêm một lượng nước ngưng tụ khá lớn vào trong chất lỏng cần đun nóng. Do đó, phương pháp này chỉ được áp dụng cho đun nóng nước hoặc đun nóng các dung dịch không bị ảnh hưởng bởi sự pha loãng. Thường dùng hơi quá nhiệt (hơi bão hoà được đun nóng thêm) vì khi dùng hơi bão hoà, ở dọc đường bị mất nhiệt sẽ đọng lại thành nước, còn dùng hơi quá nhiệt (VD: 110 o C) khi mất nhiệt thì cũng còn lại 100 o C). Sau khi ngưng tụ, thể tích giảm. VD: 1kg hơi nước ở 100 o C có thể tích V ≈ 1,2m 3 , sau khi ngưng tụ V = 1l.  Thiết bị - Thiết bị đơn giản nhất là thiết bị loại sục Hình 5.1: Thiết bị loại sục 1 Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 77 - Cấu tạo gồm bể chứa chất lỏng 1 và một ống dẫn hơi hở đầu 2. Trên ống dẫn hơi có van một chiều 3 để ngăn không cho chất lỏng đi ngược trở lại trong trường hợp áp suất trong ống hơi thấp hơn áp suất khí quyển. Trước khi bắt đầu làm việc, ta tháo nước ngưng trong ống qua van 4. Khi ngưng làm việc thì đóng van 5. - Thiết bị loại sủi bọt Khi cần thiết vừa đun nóng vừa khuấy trộn chất lỏng thì dùng thếit bị đun nóng loại sủi bọt. 1- bể chứa; 2 - ống sủi bọt Hình 5.2: Thiết bị đun nóng loại sủi bọt Hơi đi qua những ống phun hình xoắn ốc vòng tròn hoặc một số ống thẳng đặt song song có những lỗ nhỏ  hơi nước được phun đều trong chất lỏng làm chất lỏng sủi bọt và gây ra tác dụng khuấy trộn. Để xác định hơi nước tiêu hao trong quá trình đun nóng, người ta đưa vào phương trình cân bằng nhiệt lượng: Dλ + GC 2 t 2đ = CDt 2c + GC 2 t 2c + Q m Từ đó rút ra lượng hơi cần thiết : ( ) c mdc tC CQttCG D 2 2222 .− +− = λ (5.1) Trong đó : C: nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ (J/kgđộ) G: lượng chất lỏng cần đun nóng (kg/s) C 2 : nhiệt dung riêng của chất lỏng (J/kgđộ) t 2đ , t 2c : nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng (oC)] D: lượng hơi nước cần thiết (kg) λ: nhiệt lượng riêng của hơi nước (J/kg) Q m : tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (W) Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 78 - Hơi nước bão hòa  Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp Nếu chất lỏng cần đun nóng không được phép trộn lẫn với nước thì không dùng phương pháp đun nóng trực tiếp mà phải dùng phương pháp đun nóng gián tiếp tức là giữa hơi và chất lỏng có một tường ngăn cách. Nhiệt từ hơi sẽ truyền qua tường để cấp cho chất lỏng. Hơi nước sau khi cấp nhiệt sẽ ngưng tụ thành nước ngưng chảy ra khỏi thiết bị theo một đường ống riêng. Thường người ta dùng hơi nước bão hoà để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và Nn nhiệt ngưng tụ cao. Dùng hơi nước quá nhiệt không lợi vì hệ số cấp nhiệt thấp và lượng nhiệt quá nhiệt không lớn lắm. Trong trường hợp này, chiều của lưu thể không ảnh hưởng đến quá trình nhưng khi làm việc, thường người ta cho hơi vào thiết bị từ phía trên để nước ngưng chảy dọc xuống dễ dàng.  Thiết bị - Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn Hình 5.3: Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn Lúc mới vào là hơi nước nhưng đi được một đoạn thì nước băt đầu ngưng  phía dưới ống ngưng tụ nhiều  lớp nước dày  truyền nhiệt kém  làm ống xoắn sao cho hơi chảy càng nhanh càng tốt và cần phải xả nước ra bằng bẫy hơi (cho nước ra mà hơi không ra). Nếu ống xoắn quá dài thì nước ngưng sẽ tập trung nhiều ở cuối ống làm giảm sự trao đổi nhiệt và khó tháo khí không ngưng. Do đó, nếu bề mặt truyền nhiệt lớn thì phải bố trí thành nhiều đoạn làm việc song song, xếp đoạn này trên đoạn khác hoặc xếp thành những vòng đồng tâm.  Thiết bị truyền nhiệt ống xoắn chế tạo đơn giản, dễ kiểm tra và sửa chữa. Nhược điểm là cồng kềnh, khó làm sạch ở phía trong, hệ số cấp nhiệt ở phía ngoài nhỏ vì có đối lưu tự nhiên, dùng khi cần lượng nhiệt truyền không lớn lắm vì diện tích bề mặt không lớn. nước ngưng b ẫy h ơi Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 79 - vỏ ngoài v ỏ trong van xả khí không ngưng Hơi nước bão hòa nước ngưng Áp kế + van an toàn hơi b ão hòa lưu thể lạnh lỏng ngưng tụ khí không ngưng - Thiết bị truyền nhiệt 2 vỏ Hình 5.4: Thiết bị truyền nhiệt hai vỏ Nồi làm bằng kim loại dày (théo không rỉ), bao quanh nồi là một lớp vỏ thường cũng bằng thép và dính chặt vào nồi. Ở giữa là khoảng không gian rỗng. Hơi nước bão hoà dẫn vào tiếp xúc với vách trong và truyển nhiệt cho chất lỏng  ngưng tụ. Chiều cao của vỏ ngoài bằng hoặc thấp hơn một chút so với mực chất lỏng trong thiết bị vì để tận dụng bề mặt truyền nhiệt. Nếu vỏ ngoài cao quá so với mực chất lỏng thì dễ xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ trên thành thiết bị làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phNm và tốn năng lượng. Có sự xuất hiện không khí trong khoảng không gian rỗng. Không khí sẽ tạo màng sát vách làm cản trở quá trình ngưng tụ tức là cản trở quá trình truyền nhiệt (chỉ cần 1% không khí thì hiệu suất giảm 30 ÷ 40%, có thể lên đến 50%), do đó người ta gắn 1 van xả khí không ngưng.  Loại thiết bị này cấu tạo đơn giản, thường dùng để đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, nhất là các thiết bị bên trong không đặt được ống xoắn. - Thiết bị truyền nhiệt ống chùm Hình 5.5: Thiết bị truyền nhiệt ống chùm Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 80 - I II II Thiết bị gồm có vỏ hình trụ, hai đầu lắp lưới ống, các ống truyền nhiệt được lắp chặt vào lưới ống. Một chất tải nhiệt đi trong các ống truyền nhiệt, còn chất tải nhiệt kia đi vào khoảng trống giữa ống và vỏ. Hơi bão hoà truyền nhiệt  ngưng tụ  chảy thành màng ra ngoài.  Ưu điểm: chắc chắn, gọn, tốn ít kim loại, dễ làm sạch ở phía trong ống. Nhược điểm: khó làm sạch khoảng không gian trống giữa vỏ và ống truyền nhiệt, khó chế tạo bằng những vật liệu không nông và hàn được (như thép, gang, silic,…). - Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống Hình 5.6: Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống Thiết bị gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau. Ống trong của đoạn này nối thông với ống trong của đạon kia, ống ngoài của đạon này cũng nôi thông với ống ngoài của đoạn kia. Một chất tải nhiệt đi trong ống trong, còn một chất đi trong khoảng trống giữa 2 ống. Bề mặt trao đổi nhiệt là bề mặt của thành ống trong.  Ưu điểm: chế tạo đơn giản, hệ số truyền nhiệt cao vì có thể tạo ra tốc độ lớn cho cả hai chất tải nhiệt. Nhược điểm: hệ thống cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại và công lắp ráp, khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống. 5.2. LÀM NGUỘI, NGƯNG TỤ 5.2.1. Làm nguội Làm nguội là quá trình trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt và chất cần làm nguội. Chất tải nhiệt được dùng phổ biến nhất trong quá trình làm nguội là nước và không khí. 5.2.1.1. Làm nguội trực tiếp  Bằng nước lạnh hoặc nước đá Dùng khi muốn giảm nhiệt độ của chất lỏng một cách nhanh chóng đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng. Khi cho vào chất lỏng, nước đá sẽ thu nhiệt của chất lỏng để hoà tan ra còn chất lỏng sẽ hạ nhiệt độ xuống đến nhiệt độ yêu cầu. Phương pháp này chỉ dùng trong trường hợp chất lỏng cần làm nguội không tác dụng hoá học với nước đá và có thể pha loãng được. Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 81 - nư ớc lạnh hơi nư ớc ống phun hoặc tấm chắn phân phối  Phương pháp tự bay hơi Khi chất lỏng nóng trong một bình chứa, đồng thời với việc truyền nhiệt qua thành bình còn có quá trình tự bay hơi của chất lỏng trên bề mặt. Trong khi tự bay hơi, chất lỏng phải lấy nhiệt của bản thân nó, do đó nhiệt độ trong toàn khối chất lỏng sẽ giảm xuống. 5.2.1.2. Làm nguội gián tiếp Phương pháp này phổ biến hơn phương pháp làm nguội trực tiếp. Lưu thể cần làm nguội truyền nhiệt cho lưu thể làm nguội (chất tải nhiệt) qua vách ngăn. Chất tải nhiệt được dùng nhiều nhất là nước và không khí. Muốn làm nguội đến nhiệt độ thấp thì dùng chất tải nhiệt là dung dịch muối. 5.2.2. Ngưng tụ Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng. 5.2.2.1. Ngưng tụ trực tiếp Nguyên tắc làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là cho phun nước vào trong hơi, hơi tỏa Nn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ vào trong nước. Hình 5.7: Thiết bị ngưng tụ trực tiếp Phương pháp này chỉ dùng để ngưng tụ hơi nước hoặc những hơi không có giá trị kinh tế vì chất lỏng ngưng tụ sẽ lẫn nước làm nguội. Yêu cầu của quá trình ngưng tụ là phải có bề mặt tiếp xúc lớn thì hiệu quả ngưng tụ mới cao. Vì thế, người ta thường cho phun nước qua những vòi phun hoặc cho chảy qua nhiều tấm ngăn nằm ngang có lỗ nhỏ. Thiết bị ngưng tụ trực tiếp được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học, thực phNm vì có ưu điểm là năng suất cao, cấu tạo đơn giản, dễ chống ăn mòn. Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 82 -  Lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt lượng: cd tWDCtWCD 22 ).( +=+ λ  ( ) ( ) dc c ttC tCD W 22 2 . − − = λ (kg/s) (5.2) Trong đó: W: lượng nước làm nguội tưới vào thiết bị (kg/s) D: lượng hơi ngưng tụ đi vào thiết bị (kg/s) λ: nhiệt lượng riêng của hơi ngưng tụ (J/kg) t 2đ , t 2c : nhiệt độ đầu và cuối của nước làm nguội ( o C) C: nhiệt dung riêng của nước (J/kgđộ) 2.2.2. Ngưng tụ gián tiếp Trong các thiết bị ngưng tụ gián tiếp, thường cho hơi và nước đi ngược chiều nhau, nước làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động của chất lỏng, hơi từ trên xuống để chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống tự do và tháo ra dễ dàng. Nếu ngưng tụ hơi bão hoà và nước ngưng không cần làm nguội xuống thấp hơn nhiệt độ bão hoà thì việc tính toán bề mặt trao đổi nhiệt đơn giản. Còn nếu ngưng tụ hơi quá nhiệt và nước ngưng cần làm nguội đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa thì việc tính toán bề mặt trao đổi nhiệt phức tạp hơn, khi đó cần chia ra 3 giai đoạn để tính: - Giai đoạn 1: Làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ hơi bão hoà. - Giai đoạn 2: Ngưng tụ hơi bão hoà ở nhiệt độ bão hoà không đổi. - Giai đoạn 3: Làm nguội chất lỏng đến nhiệt độ cần thiết. Hình 5.8: Mô tả biến đổi nhiệt độ của các lưu thể trong các giai đo ạn khi ng ưng t ụ Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 83 - Khi ngưng tụ hơi bão hoà và làm nguội chất lỏng đã ngưng tụ thì giai đoạn 1 và 3 không có, chỉ có giai đoạn 2. Ký hiệu: Q: Nhiệt lượng trao đổi chung trong toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt (W) Q 1 : Nhiệt lượng lấy đi để làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ bão hoà (W) Q 2 : Nhiệt lượng do hơi toả ra khi ngưng tụ (W) Q 3 : Nhiệt lượng toả ra khi làm nguội nước ngưng (W) r: Ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg) D: Lượng hơi ngưng tụ (kg/s) G: Lượng nước làm nguội (kg/s) C 1 , C 2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng và của chất tải nhiệt (J/kgđộ) (tính trung bình) C p : Nhiệt dung riêng trung bình của hơi quá nhiệt (J/kgđộ) t 1đ , t 1c : Nhiệt độ đầu của hơi quá nhiệt và nhiệt độ cuối của chất lỏng ngưng tụ ( o C) t 2đ , t 2c : Nhiệt độ đầu và cuối của chất tải nhiệt (thường là nước) ( o C) t bh : Nhiệt độ hơi bão hòa ( o C) Phương trình cân bằng nhiệt lượng có thể thành lập như sau: GC 2 (t 2c – t 2đ ) = Q 1 + Q 2 + Q 3 = Q Trong đó: Q 1 = D.C p .(t 1đ – t bh ) Q 2 = D.r Q 3 = D.Cp.(t bh – t 1c ) Nếu chỉ ngưng tụ hơi bão hòa ở nhiệt độ không đổi thì Q 1 = Q 3 = 0 Từ phương trình trên ta rút ra lượng nước cần thiết: ( ) d ttC Q G c 222 − = (kg/s) (5.3) Tương ứng với mỗi giai đoạn đều có một bề mặt trao đổi nhiệt. Vậy bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho toàn bộ quá trình ngưng tụ hơi quá nhiệt sẽ bằng tổng số bề mặt trao đổi nhiệt của 3 giai đoạn: F = F 1 + F 2 + F 3 (m 2 ) Mà Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 84 - 1 1 1 1 tb tK Q F ∆ = 2 2 2 2 tb tK Q F ∆ = 3 3 3 3 tb tK Q F ∆ = (m 2 ) K 1 , K 2 , K 3 : Hệ số truyền nhiệt tương ứng với 3 giai đoạn I, II, III. ∆t tb1 , ∆t tb2 , ∆t tb3 : Hiệu số nhiệt độ trung bình tương ứng với 3 giai đoạn I, II, III Muốn tìm các nhiệt độ t x , t y ta cần dựa vào các phương trình cân bằng nhiệt lượng của từng giai đoạn và lượng nước làm nguội cần thiết G 2 . Đã biết Q 1 , Q 2 , Q 3 , t 2đ và chọn thêm t 2c thì tính được t x , t y . Q 1 = GC 2 (t 2c – t y )  2 1 2 GC Q tt cy −= Q 2 = GC 2 (t y – t x ) Q 3 = GC 2 (t x – t 2đ )  2 2 2 GC Q tt dx += . Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 75 - CHƯƠNG 5 ĐUN NÓNG – LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ 5. 1. ĐUN NÓNG 5. 1.1. Nguồn nhiệt - Năng lượng nhiệt cần thiết để đun nóng. đổi nhiệt độ của các lưu thể trong các giai đo ạn khi ng ưng t ụ Tài liệu giảng dạy truyền nhiệt – sấy  Hồ Thị Ngân Hà - 83 - Khi ngưng tụ hơi bão hoà và làm nguội chất lỏng đã ngưng. nhiệt đến nhiệt độ bão hoà (W) Q 2 : Nhiệt lượng do hơi toả ra khi ngưng tụ (W) Q 3 : Nhiệt lượng toả ra khi làm nguội nước ngưng (W) r: Ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg) D: Lượng hơi ngưng tụ (kg/s)