chuong 5 cơ sở TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC THIẾT BỊ HÓA HỌC

PHẦN 2: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT CHƯƠNG CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC THIẾT BỊ HÓA HỌC 5.1 5.2 Dẫn nhiệt Dẫn nhiệt 5.3 Bức xạ nhiệt 5.4 Truyền nhiệt 5.5 5.6 Các thiết bị truyền nhiệt công nghiệp Đun nóng, làm lạnh , Cô đặc PHẦN 2: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT CHƯƠNG CƠ SỞ TRUYỀN NHIỆT TRONG CÁC THIẾT BỊ HÓA HỌC Mở đầu Các phương thức truyền nhiệt • Dẫn nhiệt/Conduction: Quá trình truyền nhiệt từ phần tử đến phần tử khác vật chất chúng tiếp xúc trực tiếp với • Đối lưu/Convection: Quá trình truyền nhiệt phần tử chất lỏng chất khí đổi chỗ cho nhau, chúng có nhiệt độ khác bơm, quạt, khuấy trộn,… • Bức xạ/Radiation: Qua trình truyền nhiệt dạng sóng điện từ Nhiệt biến thành tia xạ truyền đi, gặp vật thể phần lượng xạ đố biến thành nhiệt năng, phần phản xạ lại, phần xuyên qua vật thể Mở đầu Dẫn nhiệt Các vật liệu dẫn nhiệt tốt gọi vật dẫn nhiệt, vật liệu dẫn nhiệt gọi vật cách nhiệt Hầu hết kim loại vật liệu dẫn nhiệt tốt, loại nhựa vật liệu cách nhiệt tốt Các electron tự tạo nên khả dẫn nhiệt tốt kim loại Mở đầu Dẫn nhiệt Mở đầu Đối lưu Dòng đối lưu hình thành nồi có nước đun nóng Dòng không khí đối lưu hình thành chênh lệch nhiệt độ đại dương lục địa Mở đầu Dòng đối lưu Giàn lạnh Bộ phận sưởi Tại phận sưởi đặt sàn, giàn lạnh tủ lạnh đặt phía trên? Mở đầu Bức xạ • Năng lượng truyền sóng điện từ • • Ánh sáng, vi sóng, sóng radio, tia x Bước sóng phụ thuộc vào tần số xạ Mở đầu KHÁI NIỆM Nhiệt trường: Tập hợp tất trị số nhiệt độ tức thời vật thể môi trường gọi nhiệt trường (Trường nhiệt độ) Nhiệt trường ổn định Nhiệt trường không ổn định t = f ( x, y , z )  Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất điểm có nhiệt độ giống t = f ( x, y , z , τ )  Mở đầu KHÁI NIỆM Gradient nhiệt độ (Grad t): Sự thay đổi nhiệt độ (lớn nhất) đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt dt lim = grad ( t ) ∆n →0 dn Grad t vector - Có phương trùng với phương pháp tuyến mặt đẳng nhiệt - Chiều tùng với chiều tăng nhiệt độ (ngược chiều với dòng nhiệt) - Có độ lớn đạo hàm nhiệt độ theo phương pháp tuyến b) CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI Sơ đồ cô đặc nhiều nồi ngược chiều - Hơi di chuyển giống trường hợp xuôi chiều Dung dịch vào nồi sản phẩm khỏi nồi (áp suất nồi trước lớn nồi sau, dung dịch không tự chảy từ nồi sang nồi mà phải dùng bơm để vận chuyển) - Khi cô đặc ngược chiều dung dịch có nhiệt độ cao vào nồi đầu, nhiệt độ lớn nên độ nhớt không tăng nhiều (hệ số truyền nhiệt nồi không giảm nhiều) - Lượng nước bốc nồi cuối nhỏ cô đặc xuôi chiều, lượng nước dùng làm ngưng tụ thiết bị ngưng tụ nhỏ b) CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI Sơ đồ cô đặc nhiều nồi song song - Dung dịch đầu vào đồng thời nồi Sản phẩm đồng thời lấy nồi Chỉ dùng yêu cầu nồng độ dung dịch không cao lắm, dung dịch cô đặc có kết tinh, dung dịch có kết tinh di chuyển từ nồi sang nồi dễ làm tắc ống b) CÔ ĐẶC NHIỀU NỒI Cân vật liệu nồi cô đặc Lượng nước bốc hệ thống  xđ W = Gđ 1 −  xc Gđ : lượng dung dịch đầu, kg/s; x d, x c : nồng độ dung dịch vào nồi đầu khỏi nồi cuối, % khối lượng; W : lượng nước bốc nồi Lượng nước bốc nồi W    W = W1 + W2 + + Wn W1 ,W2., ,Wn - lượng nước bốc nồi 1, 2, , n, kg/s; Nồng độ dung dịch khỏi nồi tính theo công thức Với nồi đầu: Với nồi 2: xđ Gđ − W1 xđ W2 = Gđ Gđ − W1 − W2 W1 = Gđ từ n phương trình tìm lượng thứ nồi lượng đốt cho vào nồi Với nồi thứ n: Wn = Gđ xđ Gđ − W1 − W2 − − Wn 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Các loại thiết bị cô đặc đun nóng dùng phổ biến, gồm hai phần chính: a) phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch ; b) phận bốc (phòng bốc ) phòng trống, thứ tách khỏi hỗn hợp lỏng - dung dịch sôi (khác với thiết bị có phòng đốt) Có thể cấu tạo thêm phận phân ly - lỏng phòng bốc ống dẫn thứ, để thu hồi hạt dung dịch bị thứ mang theo với yêu cầu Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp, chi tiết phải quy chuẩn hoá, giá thành rẻ; Yêu cầu kỹ thuật thiết bị: chế độ làm việc ổn định, bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh kiểm tra Cường độ truyền nhiệt lớn( hệ số truyền nhiệt K lớn) Phân loại thiết bị: -theo bố trí bề mặt truyền nhiệt: nằm ngang, thẳng đứng,loại nghiêng; -theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm; -theo chất tải nhiệt: đun nóng dòng điện, khói lò, -theo tính chất tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn nước, chất tải nhiệt đặc biệt; cưỡng 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc có ống tuần hòan tâm Cấu tạo: - Phần thiết bị phòng đốt, có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn tương đối lớn - Dung dịch ống đốt vào khoảng trống phía ống Nguyên tắc làm việc: Dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp - lỏng có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt lượng tạo ống hơn,vì khối lượng riêng hỗn hợp - lỏng lớn ống truyền nhiệt, bị đẩy xuống 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc có ống tuần hòan tâm Kết thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn lớn hệ số cấp nhiệt phía dung dịch tăng trình đóng cặn bề mặt truyền nhiệt giảm - Tốc độ tuần hoàn thường không 1,5 m/s Khi suất thiết bị lớn thay ống tuần hoàn vài ống có đường kính nhỏ Phía phòng đốt phòng bốc có phận tách bọt dùng để tách giọt lỏng thứ mang theo ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa làm sạch, nhược điểm tốc độ tuần hoàn bị giảm ống tuần hoàn bị đun nóng 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc phòng đốt treo Cấu tạo: - Phòng đốt đặt thiết bị, khoảng trống vành khăn phòng đốt vỏ đóng vai trò ống tuần hoàn, đốt vào phòng theo ống - Phòng đốt lấy cần sửa chữa làm Tốc độ tuần hoàn tốt vỏ không bị đốt nóng Nhược điểm: - Cấu tạo phức tạp - Kích thước lớn có khoảng trống hình vành khăn 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc phòng đốt kiểu đứng Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc: - Dung dịch vào phòng đốt đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng qua ống vào phòng bốc - Hơi thứ tách lên phía trên, dung dịch lại phòng đốt theo ống tuần hoàn - Các ống truyền nhiệt làm dài (đến 7m) nên cường độ tuần hoàn lớn, cường độ bốc lớn - Đôi ghép vài phòng đốt vào buồng bốc để làm việc thay cần làm sửa chữa để đảm bảo trình làm việc liên tục 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng Cấu tạo - Nguyên tắc làm việc: - Dung dịch dưa vào phòng đốt bơm tuần hoàn - Dung dịch đặc phần phòng bốc hơi, phần chảy ống bơm tuần hoàn hút trộn lẫn với dung dịch đầu vào phòng đốt - Tốc độ dung dịch ttrong ống truyền nhiệt 1,5 đến 3,5 m/s, hệ số cấp nhiệt lớn tuần hoàn tự nhiên tới đến lần - Có thể làm việc điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3 - 50C) cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào suất bơm 5.8 CẤU TẠO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng Ưu điểm - Tránh tượng bám cặn bề mặt truyền nhiệt -Có thể cô đặc dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực Nhược điểm - Tốn lượng để bơm - Thường ứng dụng cường độ bay lớn - Tuần hoàn cưỡng thực thiết bị khác nhau(phòng đốt ngoài, phòng đốt treo) Bài tââp 168 [...]... giống như trong tường phẳng nhiều lớp cuối cùng ta cũng có phương trình dẫn nhiệt cho tường hình ống nhiều lớp như sau: 2π L ( tT 1 − tT 2 ) Q= n ,W ri +1 1 2,3lg ∑ ri i =1 λi ( 5. 13) Trong đó : i là số thứ tự lớp tường n là số lớp tường Đây là phương trình dẫn nhiệt ổn định qua tường ống nhiều lớp 5. 2 Đối lưu nhiệt (cấp nhiệt) 5. 2.1 Định luật cấp nhiệt Newton dQ = α ( tT − t ) dFdτ , J ( 5. 14 ) Trong. .. NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống có tiết diện hình vành khăn: Nu = 0,23 Re 0 ,8  d tn   Pr   d nt  dtn: đường kính trong của ống ngoài dnt: đường kính ngoài của ống trong 0, 4 0 , 45 f) Ví dụ một số trường hợp cụ thể CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống có... ε K Re 0,9 Pr 0, 43 Nu = 0, 15 ε d Re 0, 33 Pr 0 , 43  Pr  Gr    PrT  0, 4 0 , 25 0 , 25 f) Ví dụ một số trường hợp cụ thể CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống cong: do tác dụng của lực ly tâm, độ xoáy sẽ tăng lên, cường độ trao đổi nhiệt tăng lên d  α c = α 1 + 1,77  R  d: đường kính trong của ống xoắn R: Bán kính... ra trong dòng đối lưu cưỡng bức thì ta có thể bỏ qua chuẩn số Gr và có : Nu = f( Re,Pr) • (5. 17) Nếu quá trình cấp nhiệt xảy ra trong dòng đối tự nhiên thì ta có thể bỏ qua chuẩn số Re và có: Nu = f( Gr,Pr • (5. 18) Đối với chất khí sự biến đổi của chuẩn số Pr theo nhiệt độ là rất ít và coi như Pr = const và ta có o Với chuyển động cưỡng bức Nu = f (Re) o Với đối lưu tự nhiên Nu = f (Gr) (5. 19) (5. 20).. .5. 1 Dẫn nhiệt 5. 1.1 Định luật Fourier và độ dẫn nhiệt a) Định luật Fourier dt dQ = −λ dF dτ J dn ( 5. 1) Nếu quá trình là ổn định dt dQ = −λ dF dn ( 5. 1a ) W λ hệ số tỉ lệ hay còn gọi là độ dẫn nhiệt : W  dQdn   J m  λ=  = 2 0 = 0   dF dt.dτ   m s C  m C 2 Vậy λ chính là lượng nhiệt tính bằng Jun dẫn qua 1m bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt trong đơn vị thời gian... = C ( Pr ⋅ Gr ) Với ống truyền nhiệt nằm ngang Nu = 0 ,51 ( Pr ⋅ Gr ) 0 , 23 n  Pr     PrT  PrT: chuẩn số Prandt tính theo nhiệt độ thành tiếp xúc với chất lỏng Với không khí Nu = 0,47 Gr 0 , 25 0 , 25 f) Ví dụ một số trường hợp cụ thể CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động trong ống thẳng Nu = 0,021 ε K Re Pr 0 ,8 Re > 10.000 0... kính trong của ống ngoài dnt: đường kính ngoài của ống trong 0, 4 0 , 45 f) Ví dụ một số trường hợp cụ thể CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chảy ngang bên ngoài một ống: Nu = C ε K Re Pr λ n 0, 4 α = C ε K Re Pr dn n 0, 4 dn: đường kính ngoài của ống C,n: Hệ số phụ thuộc Re f) Ví dụ một số trường hợp cụ thể CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT... khi lưu thể chuyển động cưỡng bức Lưu thể chuyển động ngang bên ngoài một chùm ống: Dãy ống thứ ba (thẳng hàng) 0, 65 0 , 33  Pr  Nu = 0,23 ε ϕ Re Pr ⋅    PrT  0 , 25 Chất khí Nu = 0,21 ε ϕ Re 0 , 65 Dãy ống thứ ba (xen kẽ) 0, 60 0, 35  Pr  Nu = 0,41ε ϕ Re Pr ⋅    PrT  0 , 25 Chất khí Nu = 0,37 ε ϕ Re 0,60 ... trị k,m,n được xác định bằng thực nghiệm (5. 21) 5. 2.3 Các công thức thực nghiệm về cấp nhiệt Từ phương trình trên ta có thể xác định được hệ số cấp nhiệt như sau: λ k m n α = C (Re Pr Gr ) l ( 5. 22 ) Hệ số cấp nhiệt α chỉ có thể được xác định với từng trường hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt f) Ví dụ một số trường hợp cụ thể CÔNG THỨC THỰC NGHIỆM VỀ CẤP NHIỆT Cấp nhiệt khi lưu thể chuyển động... định thì phương trình (5. 14) có dạng dQ = α ( tT − t ) F , W ( 5. 14a ) 2 Khi F =1m và (t – t) =1 thì Q = α vậy : T Vậy hệ số cấp nhiệt α là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường cấp cho môi trường xung quanh hay ngược lại trong khoảng thời gian 1s khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường xung quanh hay ngược lại là 1 độ Thứ nguyên của α là [ α ] =  W  2 0  m C  5. 2.2 Phương trình vi