NGHIÊN cứu các môi CHẤT tải NHIỆT DÙNG TRONG kỹ THUẬT sấy ở NHIỆT độ CAO

Môi chất tải nhiệt có nhiệm vụ truyền tải nhiệt năng từ nơi sản xuất nhiệt đến nơi tiêu thụ. Ngày nay, môi chất tải nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Đặc biệt với các hệ thống sấy ở nhiệt độ cao, môi chất tải nhiệt đóng vai trò quan trọng để gia nhiệt cho tác nhân sấy. Báo cáo này trình bày nghiên cứu các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao, trong đó chúng tôi đã giới thiệu, phân tích các tính chất nhiệt động, truyền nhiệt và khả năng không bị phân hủy do nhiệt độ của một số môi chất tải nhiệt phổ biến, qua đó lựa chọn dầu truyền nhiệt là môi chất tải nhiệt tối ưu và tiến hành nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt của môi chất này. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở cho những doanh nghiệp, đơn vị thiết kế chế tạo lò dầu truyền nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt… có thể tham khảo khi tính toán, lựa chọn môi chất tải nhiệt mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Từ khóa: Môi chất tải nhiệt, kỹ thuật sấy, nhiệt độ cao, hệ số tỏa nhiệt, tư vấn, hiệu quả kinh tế,…

KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 NGHIÊN CỨU CÁC MÔI CHẤT TẢI NHIỆT DÙNG TRONG KỸ THUẬT SẤY Ở NHIỆT ĐỘ CAO A RESEARCH HEAT LOAD SUBSTANCES USED IN HIGH TEMPERATURE DRYING TECHNIQUE SVTH: Nguyễn Phi Hùng – Trần Ngọc Quảng Lớp 08N1 – 11NLT, Khoa Nhiệt – Điện lạnh, Trường ĐHBK Đà Nẵng GVHD: GVC.TS Trần Văn Vang Khoa Nhiệt – Điện lạnh, Trường ĐHBK Đà Nẵng TÓM TẮT Môi chất tải nhiệt có nhiệm vụ truyền tải nhiệt từ nơi sản xuất nhiệt đến nơi tiêu thụ Ngày nay, môi chất tải nhiệt ứng dụng rộng rãi công nghiệp đời sống Đặc biệt với hệ thống sấy nhiệt độ cao, môi chất tải nhiệt đóng vai trò quan trọng để gia nhiệt cho tác nhân sấy Báo cáo trình bày nghiên cứu môi chất tải nhiệt dùng kỹ thuật sấy nhiệt độ cao, giới thiệu, phân tích tính chất nhiệt động, truyền nhiệt khả không bị phân hủy nhiệt độ số môi chất tải nhiệt phổ biến, qua lựa chọn dầu truyền nhiệt môi chất tải nhiệt tối ưu tiến hành nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt môi chất Các kết nghiên cứu sở cho doanh nghiệp, đơn vị thiết kế chế tạo lò dầu truyền nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt… tham khảo tính toán, lựa chọn môi chất tải nhiệt mang lại hiệu kinh tế cao Từ khóa: Môi chất tải nhiệt, kỹ thuật sấy, nhiệt độ cao, hệ số tỏa nhiệt, tư vấn, hiệu kinh tế, … ABSTRACT Thermal fluid heat transfer has mission to transport heat energy from producing place to the place of consumption Nowadays, the refrigerant heat load is applied widely in industry and daily life Especially with the drying system at high temperature, thermal fluid plays an important role to heat the drying agent This report presents the research of thermal environment in the technique used in hightemperature drying, in which we introduce and analyze the thermodynamic properties, heat transfer and capability can not be destroyed by heat of some universal heat load refrigerants, which is the choice of thermal oil is optimum heat load substance and studied heat coefficients of this refrigerant The research results are the basis for the business, units design and manufacture of heat transfer oil furnace, heat exchange equipment can refer to calculations, choose heat load refrigerant to bring benefits economic highest Key words: Refrigerant heat load, drying techniques, high temperature, heat coefficient, Thermal oil, advise, economic efficiency, Đặt vấn đề Phương pháp sấy nhiệt độ thấp tránh hư hại sản phẩm, làm cho thời gian sấy kéo dài khiến sản phẩm nông nghiệp sau thu hoạch không sấy khô kịp thời, dẫn đến sản phẩm giảm phẩm chất, chí bị hỏng gây tình trạng mùa sau thu hoạch Vì để trình sấy diễn nhanh nhằm giảm độ ẩm cách nhanh KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 chóng, ngăn chặn hư hỏng đảm bảo chất lượng sản phẩm, người ta áp dụng phương pháp sấy nhiệt độ cao Phương pháp sấy nhiệt độ cao yêu cầu vật liệu sấy vật ẩm dễ sấy, chứa ẩm tự hay ẩm mao dẫn, cường độ thoát ẩm diễn nhanh nên thời gian sấy ngắn Do vậy, phương pháp thiết bị sấy thường sử dụng thiết bị sấy đối lưu với phương pháp cấp nhiệt gián tiếp trực tiếp Trong phương pháp dùng môi chất tải nhiệt cấp nhiệt gián tiếp cho tác nhân sấy để sấy nhiên liệu trước đưa vào buồng đốt, sấy hạt nông sản, sấy quặng sấy loại tinh bột mà đặc biệt biến tinh bột sắn sử dụng phổ biến Hiện môi chất tải nhiệt nước bão hòa, nhiệt, khói nóng, dầu truyền nhiệt… dùng rộng rãi nhà máy sản xuất tinh bột sắn nước giới Thái Lan, Indonexia Việt Nam Tuy nhiên, nước ta điều kiện khí hậu thay đổi thất thường, nguồn điện không trì liên tục trình sản xuất, chế độ vận hành chưa phù hợp gây an toàn, cháy nổ hệ thống, vấn đề lựa chọn sử dụng môi chất tải nhiệt chưa có tài liệu hướng dẫn cụ thể nên hiệu mà môi chất tải nhiệt mang lại nhiều hạn chế Như để giảm giá thành công đoạn sấy, nâng cao hiệu kỹ thuật sấy nhiệt độ cao Cần phải có nghiên cứu đưa đánh giá cách tổng thể môi chất tải nhiệt tư vấn cho doanh nghiệp đơn vị sản xuất nhằm lựa chọn môi chất tải nhiệt tối ưu mang lại hiệu kinh tế cao Nội dung nghiên cứu 2.1 Tổng quan thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao Như ta biết, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao có nhiệt độ tác nhân sấy lớn nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất không khí ẩm (chẳng hạn áp suất không khí ẩm p = 745mmHg nhiệt độ bão hòa tương ứng 1000C) Khi sấy nhiệt độ cao, trao đổi nhiệt ẩm tác nhân sấy với vật liệu sấy (vật xốp mao dẫn chứa ẩm tự do, ẩm liên kết chiếm tỉ lệ thấp) chủ yếu trao đổi nhiệt đối lưu diễn mãnh liệt Vì không gian thời gian sấy cần thiết giảm Do thời gian sấy kéo dài nên kỹ thuật sấy nhiệt độ cao thiết bị sấy sử dụng phổ biến thiết bị sấy khí động thiết bị sấy phun, sử dụng thiết bị sấy tầng sôi Như thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao ứng dụng để sấy nông sản sấy thóc, bắp, mì, sấy thực phẩm – dược liệu sấy cá, thịt bò khô, thức ăn thú cảnh, thảo dược hay công nghệp sấy gỗ sản phẩm gỗ bút chì, que diêm, vỏ bao diêm, vật liệu xây dựng, xi măng, giấy, đồ gốm sứ… Đặc biệt Việt Nam, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao ứng dụng có hiệu công nghệ sản xuất tinh bột sắn nhằm phục vụ cho ngành công nghiệp công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thức ăn gia súc, công nghiệp thực phẩm… Việt Nam sản xuất hàng năm triệu sắn củ tươi, đứng hàng thứ 11 giới sản lượng sắn, lại nước xuất tinh bột sắn đứng hàng thứ giới sau Thái Lan Indonexia Hiện nước có 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn nằm rải rác chủ yếu tỉnh Tây Ninh, Nghệ An, Bình Phước, Dăk Lăk, Kon Tum, Hòa Bình, Gia Lai, Phú Yên KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 Hầu hết nhà máy sử dụng thiết bị sấy khí động có thời gian sấy ngắn (5 ÷ 7) s cho phép sấy nhiệt độ cao (100 ÷ 150)0C mà không sợ ảnh hưởng đến chất lượng hạt tinh bột, nhiệt độ tác nhân sấy vào ống sấy khoảng 1600C 2.2 Giới thiệu môi chất tải nhiệt dùng kỹ thuật sấy nhiệt độ cao Trong thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao, tác nhân sấy sử dụng nhiều không khí nóng Vì vậy, môi chất tải nhiệt thường dùng để cấp nhiệt cấp nhiệt gián tiếp cho không khí thiết bị trao đổi nhiệt Các môi chất tải nhiệt phổ biến nước bão hòa, nước nhiệt, khói nóng dầu truyền nhiệt 2.2.1 Hơi nước bão hòa Hơi nước bão hoà sinh thiết bị lò công nghiệp Ở Việt nam nay, nước bão hoà môi chất tải nhiệt sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp Tính chất nhiệt vật lý nước bão hòa khoảng nhiệt độ làm việc (150 ÷ 250) C cho bảng Bảng Thông số nhiệt vật lý nước bão hòa Nhiệt độ(0C) Thông số Áp suất p(bar) Khối lượng riêng ρ(kg/m3) Entanpi i(kJ/kg) Entropi s(kJ/kg.K) Nhiệt ẩn hóa r(kJ/kg) Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cptb(kJ/kgK) Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng tích Cvtb(kJ/kgK) Nhiệt dung riêng thể tích đẳng áp Cptb’(kJ/m3tcK) Nhiệt dung riêng thể tích đẳng tích Cvtb’(kJ/m3tcK) Độ nhớt động học ν.105 (m2/s) Hệ số dẫn nhiệt λ (W/mK) 150 4,760 2,547 2746 6,8383 2114 1,8833 200 15,551 7,862 2793 6,4318 1941 1,8937 250 39,776 19,98 2801 6,0721 1715 1,9065 1,4219 1,4323 1,4449 1,5138 1,5223 1,5324 1,1428 1,1514 1,1615 0,546 0,199 0,087 30,77.10-3 39,10.10-3 51,19.10-3 Ưu điểm nước bão hòa: + Hơi nước bão hòa có nhiều ưu điểm so với môi chất khác nước có nhiều thiên nhiên, rẻ tiền đặc biệt không độc hại môi trường không ăn mòn thiết bị, sử dụng nhiều ngành công nghiệp + Hơi nước bão hòa ngưng tụ tỏa nhiệt lớn (nhiệt ẩn hóa r lớn) nên hệ số tỏa nhiệt ngưng tụ lớn (α = 5000 ÷ 20000 [W/m 2K]), bề trao đổi nhiệt nhỏ tức kích thước thiết bị trao đổi nhiệt (calorife khí – hơi) gọn thiết bị sử dụng môi chất tải nhiệt khác có công suất trao đổi nhiệt (Q = kF∆t) thường làm cánh phía không khí Thiết bị không bị bám bẩn khói, lại làm việc nhiệt độ thấp nên tuổi thọ cao KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 so với calorife khí – khói Hơn làm việc nhiệt độ thấp 200 0C nên calorife chế tạo kim loại màu như đồng, nhôm bị han gỉ nên tuổi thọ cao + Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính cho đơn vị môi chất tải nhiệt) lượng nhiệt tỏa ngưng tụ + Cấp nhiệt đồng nước ngưng tụ toàn bề mặt truyền nhiệt nhiệt độ không đổi + Nhiệt độ ổn định, dễ điều chỉnh nhiệt độ cách điều chỉnh áp suất + Vận chuyển xa dễ dàng theo đường ống  Nhược điểm: + Không thể làm việc nhiệt độ cao nhiệt độ tăng áp suất nước bão hòa tăng đồng thời nhiệt ẩn hóa giảm Chẳng hạn nước 350 0C áp suất bão hòa 180 at; Ở 374 0C (nhiệt độ tới hạn), áp suất 225 at nhiệt ẩn hóa Do tăng nhiệt độ thiết bị phức tạp thêm, hiệu suất sử dụng nhiệt bị giảm Vì nước bão hòa sử dụng tốt làm việc nhiệt độ không 1800C + Phải có lò để tạo nước bão hòa Lò thiết bị chịu áp lực, tiềm ẩn khả nguy hiểm cho người thiết bị Hơn nữa, luôn có mát môi chất xả đáy lò thất thoát giãn nở từ nước ngưng nóng Vì phải trang bị thêm hệ thống cung cấp xử lý nước bổ sung Vốn đầu tư cho đơn vị công suất nhiệt tăng cao, hiệu kinh tế bị giảm 2.2.2 Hơi nước nhiệt Hơi nước nhiệt thường sử dụng để cấp cho tuabin tuabin chứa giọt nước rơi vào cánh tuabin, lực li tâm gây cân cánh động phá vỡ chúng Hơn nước nhiệt cung cấp nguồn lượng trực tiếp lớn bão hòa thay ngưng tụ để khả mang lại lượng Trong kỹ thuật sấy nhiệt độ cao nước nhiệt ứng dụng để cấp nhiệt trực tiếp cho vật liệu sấy Ta có bảng số thông số nhiệt vật lý nước nhiệt khoảng nhiệt độ (150 ÷ 250) 0C Bảng Thông số nhiệt vật lý nước nhiệt Thông số Khối lượng riêng ρ(kg/cm3) Entanpi i(kJ/kg) Entropi s(kJ/kgK) Nhiệt dung riêng đẳng áp Áp suất(bar) 0,05 0,5 0,05 0,5 0,05 0,5 0,05 0,5 150 0,026 0,257 2783,4 2780,1 9,009 7,941 1,917 1,949 Nhiệt độ(0C) 200 0,023 0,229 2,353 2879,9 2877,7 2855,1 9,225 8,159 7,059 1,941 1,959 250 0,021 0,207 2,108 2977,6 2976,1 2961,1 9,421 8,356 7,272 1,969 1,978 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 Cp(kJ/kgK) Độ nhớt động lực học μ(kg/m.s) Hệ số dẫn nhiệt λ(W/mK) 0,05 0,5 0,05 0,5 -5 1,412.10 1,41.10-5 28,595.10-3 28,674.10-3 2,160 1,608 10-5 1,606 10-5 1,594 10-5 33,241.10-3 33,296.10-3 34,243.10-3 2,087 1,808 10-5 1,807 10-5 1,7999 10-5 38,181.10-3 38,227.10-3 38,811.10-3  Ưu điểm nước nhiệt: + Hơi nước nhiệt có nhiều ưu điểm so với môi chất khác nước có nhiều thiên nhiên, rẻ tiền đặc biệt không độc hại môi trường không ăn mòn thiết bị, sử dụng nhiều ngành công nghiệp + Lượng nhiệt lớn cấp nhiệt đồng + Vận chuyển xa dễ dàng theo đường ống + Có thể làm việc nhiệt độ cao so với nước bão hòa nên dùng để sấy vật liệu dễ cháy, dễ nổ  Nhược điểm: + Hơi nước nhiệt khó điều chỉnh nhiệt độ lượng trở thành chất cách điện dẫn nhiệt chất khí khác + Hơi nước nhiệt thường dùng để sấy trực tiếp lại dễ ngưng tụ thành nước rơi vào vật liệu nên số thiết bị cần lót lớp cách nhiệt Hơn nhiệt độ cao làm độ bền kim loại giảm nên yêu cầu thiết bị phức tạp giá thành không rẻ + Cần phải có lò lò phải có nhiệt để tạo nhiệt phí tương đối cao + Dùng nước nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt không hiệu nước nhiệt có nhiệt độ cao nước bão hòa áp suất hệ số truyền nhiệt thấp lượng nhiệt nhiệt không lớn 2.2.3 Khói lò Khói lò tạo thành đốt cháy nhiên liệu rắn, lỏng khí lò đốt Trong hệ thống sấy, khói lò dùng với tư cách tác nhân sấy với tư cách nguồn cung cấp nhiệt lượng để đốt nóng không khí calorife khí – khói Bảng Thông số nhiệt vật lý khói t, 0C ρ, kg/m3 Cp, kJ/kg0C λ.10, W/mC α.106, m2/s μ.106, Pa.s ν.106, m2/s Pr 100 0,950 1,068 3,13 30,8 20,4 21,54 0,69 200 0,748 1,097 4,01 48,9 24,5 32,80 0,67 300 0,617 1,122 4,84 69,9 28,2 45,81 0,65 400 0,525 1,151 5,70 94,3 31,7 60,38 0,64 500 0,457 1,185 6,56 121,1 34,8 76,30 0,63 600 0,405 1,214 7,42 150,9 37,9 93,61 0,62 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 700 0,363 1,239 8,27 183,8 40,7 112,1 0,61 800 0,330 1,264 9,15 219,7 43,4 131,8 0,60 900 0,301 1,290 10,0 258,0 45,9 152,5 0,59 1000 0,275 1,306 10,90 303,4 48,4 174,3 0,58  Ưu điểm khói lò: + Nhiệt độ làm việc cao đạt tới 10000C + Được sử dụng phổ biến nước ta kinh tế không cần thiết phải trang bị lò  Nhược điểm: + Khói có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α nhỏ (không 1000 W/m 2K) nên diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn so với dùng nước hay chất lỏng, thiết bị cồng kềnh + Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ nên lượng tiêu hao khói lớn + Cấp nhiệt không đồng khói vừa cấp nhiệt vừa nguội + Khó điều chỉnh nhiệt độ làm việc so với chất lỏng nên dễ có tượng nhiệt cục gây phản ứng phụ không cần thiết + Calorife khí – khói làm việc nhiệt độ cao cần dùng vật liệu chịu nhiệt + Khói lò thường có bụi khí độc nhiên liệu (nhất nhiên liệu rắn) cấp nhiệt gián tiếp bề mặt trao đổi nhiệt bị bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt cấp nhiệt trực tiếp bị hạn chế + Trong khói có lượng ôxy dư (nhất điều chỉnh nhiệt độ khói cách hòa trộn với không khí bên trời) nhiệt độ cao, tiếp xúc với thiết bị ôxy hoá kim loại làm hỏng thiết bị Để làm giảm lượng ôxy khói lò người ta dung khí thải (khói lò sau trao đổi nhiệt) để hòa trộn + Nếu cấp nhiệt cho chất dễ cháy, dễ bay không an toàn + Hiệu suất sử dụng thiết bị thấp, lớn 30% 2.2.3 Dầu truyền nhiệt Dầu truyền nhiệt sản phẩm sản suất từ dầu khoáng paraffin chọn lọc dùng cho hệ thồng truyền nhiệt gián tiếp truyền nhiệt thứ cấp Trên thị trường có nhiều loại dầu truyền nhiệt Nhưng nhìn chung loại phải đảm bảo yêu cầu chất lượng sau: - Phải truyền nhiệt tốt - Có độ nhớt cao - Nhiệt độ bắt cháy cao - Có thể trộn lẫn tương thích với dầu gốc khoáng khác - Độ ổn định nhiệt tốt Các thông số kỹ thuật số loại dầu truyền nhiệt trình bày bảng bảng KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 Bảng Thông số vật lý dầu truyền nhiệt SERIOLA K 3120 Bảng Thông số kỹ thuật số loại dầu truyển nhiệt theo tiêu chuẩn Tổ chức Kiểm định Thiết bị Hoa Kỳ(ASTM) Các loại dầu BP Transcal N Các thông số Castrol Perfecto HT SERIOLA K2120 Mobiltherm 605 CPC 32A kỹ thuật Khối lượng riêng 150C (kg/l) 0.872 0,875 0,869 0,857 0,863 Nhiệt dung riêng 150C (kJ/kg0C) 1,84 1,86 1,87 1,79 1,85 Độ dẫn nhiệt 150C (W/m0C) 0,128 0,132 0,133 0,136 0,129 221 245 220 230 260 Nhiệt độ tự bốc cháy ( C) 383 420 378 402 431 Nhiệt độ đông đặc (0C) - 12 - 13 - 30 -6 - 12 30 30 46,37 30,4 45,65 100 C 5,1 5,2 5,22 5,4 6,8 2000C 1,08 1,16 1,17 1,21 1,26 3000C 0,59 0,60 0,61 0,62 0,67 Trị số trung hòa (mgKOH/g) < 0,05 0,03 0,01 Hàm lượng cặn carbon (%) Không Điểm chớp cháy (0C) 0 Độ nhớt động học 40 C mm /s (Cst ) 0,06 0,05 Không Không 0,05 0,09 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013  Các tính bật dầu truyền nhiệt: - Chống hình thành cặn bám: Khả bền oxy hoá bền nhiệt (điểm chớp cháy) cao chúng hydro hoá để tạo nên sản phẩm có khả chống oxy hoá cracking nhiệt giúp chống sinh cặn bùn cặn cacbon, kéo dài thời gian sử dụng dầu không cần bảo trì Đồng thời đảm bảo an toàn cháy nổ trình sử dụng nhiệt độ cao - Duy trì tính truyền nhiệt cao - Điểm đông đặc thấp giúp bơm dầu dễ dàng nhiệt độ thấp - Tính đồng hoá tốt nên dễ dàng trộn chúng với dầu truyền nhiệt gốc paraffin khác tỷ lệ - Thiết bị khởi động nhanh: Chỉ số độ nhớt cao tính lưu động nhiệt độ thấp cho phép dầu tuần hoàn nhanh chóng - Khả bay thấp dù nhiệt độ cao, ngăn ngừa khả tắc bay bơm - Kinh tế vận hành áp suất thấp: Áp suất thấp nhiệt độ cao giúp giảm thiểu bay hơi, hạn chế tượng tạo nút khí xâm thực bơm, cho phép vận hành hữu hiệu áp suất hệ thống nhỏ Vì vậy, không cần dùng thiết bị trao đổi nhiệt hệ thống ống chịu áp lực cao đắt tiền Nhược điểm dầu truyền nhiệt giá thành cao, dễ bị phân hủy dầu thải gây ảnh hưởng đến môi trường Dưới tiến hành so sánh môi chất nước bão hòa, nước nhệt, khói lò với dầu truyền nhiệt sử dụng cho hệ thống sấy nhiệt độ cao dựa tính chất khả trao đổi nhiệt, khả điều chỉnh nhiệt độ, khả không bị phân hủy nhiệt độ, chất lượng sản phẩm, giá thành sản phẩm, chi phí đầu tư, chi phí vận hành bảo vệ môi trường, phạm vi ứng dụng, vv… Bảng Đánh giá so sánh tính chất dầu truyền nhiệt với nước bão hòa, nước nhiệt khói lò STT Môi chất Chỉ tiêu so sánh Hơi nước bão hòa Hơi nước nhiệt Khói lò Tốt Kém Kém nhiều Bằng Khó nhiều Khó Thấp nhiều Thấp Lớn Khả trao đổi nhiệt Khả điều chỉnh nhiệt độ Nhiệt độ làm việc cho phép Áp suất làm việc Cao Cao Cao Tính an toàn Kém Như Như Kích thước thiết bị trao đổi nhiệt Lớn Lớn Lớn nhiều Tuổi thọ thiết bị trao đổi nhiệt Thấp Thấp Thấp nhiều Chi phí đầu tư ban đầu Cao Cao Thấp Chi phí vận hành, bảo dưỡng Đắt Đắt Đắt nhiều 10 Hiệu suất sử dụng thiết bị Thấp Như Thấp nhiều KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 11 Bảo vệ môi trường Tốt Tốt Như 12 Phạm vi ứng dụng Hẹp Hẹp nhiều Như Từ bảng so sánh tính chất dầu truyền nhiệt với môi chất khác ta nhận thấy: Dầu truyền nhiệt có ưu điểm hoàn toàn trội khả điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, nhiệt độ làm việc cho phép cao, làm việc áp suất thấp, đảm bảo an toàn, thiết bị nhỏ gọn hoạt động lâu dài với hiệu suất sử dụng cao Hơn dầu truyền nhiệt có khả trao đổi nhiệt tốt, phạm vi ứng dụng rộng không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Như vậy: Khi lựa chọn môi chất tải nhiệt cho hệ thống sấy nhiệt độ cao mà đặc biệt Việt Nam nhà máy sản xuất tinh bột sắn dầu truyền nhiệt xem phương án tối ưu mang lại hiệu kinh tế lớn 2.3 Tìm hiểu hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt 2.3.1 Cơ sở lý thuyết Trong hầu hết tất thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng dầu truyền nhiệt dầu thường chuyển động cưỡng bên ống tác dụng bơm dầu trao đổi nhiệt dầu với môi chất chuyển động bên ống chủ yếu trao đổi nhiệt đối lưu Xét ống trơn nằm ngang có đường kính d 2/d1, chiều dài L làm thép hợp kim Vách ống mỏng có chiều dày δ, hệ số dẫn nhiệt thép λt Dầu truyền nhiệt chuyển động cưỡng ống với tốc độ ω1, nhiệt độ dầu vào ống t1’, nhiệt độ dầu khỏi ống ' t1”, nhiệt độ trung bình dầu theo chiều dài ống tf1 = t1 + t1 " Hình Ống trao đổi nhiệt Tiêu chuẩn Nutxen (Nu) tính toán hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt chuyển động bên đường ống xác định theo công thức sau: - Ở chế độ chảy tầng Ref1 < 2300: Nuf1 = 0,15.Ref10,33.Prf10,43.Grf10,1 ( Pr f Prw1 )0,25.ε1 (1) - Ở chế độ chảy độ Ref1 ∈ [2300 ÷ 104]: Nuf1 = 0,008.Ref10,9.Prf10,43 (2) - Ở chế độ chảy rối Ref1 > 10 : KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 Nuf1 = 0,021.Ref10,8.Prf10,43.( Pr f Prw1 )0,25.ε1 (3) 2.3.2 Ảnh hưởng số đại lượng đến hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt Để tìm hiểu ảnh hưởng số đại lượng nhiệt độ truyền nhiệt, tốc độ dầu truyền nhiệt, kích thước hình học đến hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt ta tiến hành tính toán xác định hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt chảy ống tính toán với liệu cụ thể sau: - Nhiệt độ truyền nhiệt tf1: 200, 220, 240, 260, 280 3000C - Tốc độ dầu truyền nhiệt ω1: 0,5; 1,2; 1,8; 2,5 m/s - Đường kính ống d1: 40, 52, 68, 84, 97, 110 125mm Các kết tính toán thể bảng 7, theo nhiệt độ truyền nhiệt, tốc độ dầu truyền nhiệt đường kính ống Bảng Hệ số tỏa nhiệt dầu theo nhiệt độ truyền nhiệt (W/m2K) Nhiệt độ truyền nhiệt dầu tf1 [0C] Giả thiết ω1 [m/s] d1 [m] 200 220 240 260 280 300 1,8 0,084 1375,95 1443,38 1514,73 1572,12 1622,76 1669,11 Hình Hệ số tỏa nhiệt theo nhiệt độ truyền nhiệt dầu truyền nhiệt Bảng Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt theo tốc độ ω1 (W/m2K) Tốc độ dầu truyền nhiệt ω1 [m/s] Giả thiết tf1 [0C] d1 [m] 0,5 1,2 1,8 2,5 260 0,084 561,2 1135,21 1572,12 2046,06 2368,21 10 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 Hình Hệ số tỏa nhiệt theo tốc độ ω1 dầu truyền nhiệt Bảng Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt theo đường kính ống d1 (W/m2K) Giả thiết ω1 tf1 [m/s] [ C] 1,8 260 Đường kính ống d1 [mm] 40 52 68 84 97 110 125 1814,02 1721,48 1631,89 1572,12 1544,15 1518,28 1485,87 Hình Hệ số tỏa nhiệt theo đường kính ống d1 dầu truyền nhiệt 11 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 Nhận xét: Dầu truyền nhiệt có hệ số tỏa nhiệt lớn nhiều so với môi chất tải nhiệt khác nước nhiệt, khói lò Ở điều kiện cụ thể: - Khi nhiệt độ truyền nhiệt tốc độ dầu truyền nhiệt tăng hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt tăng - Khi đường kính ống tăng hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt giảm Xét đến độ biến thiên hệ số tỏa nhiệt: - Các hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt thay đổi thay đổi chế độ nhiệt Vì trình trao đổi nhiệt, dầu truyền nhiệt trì tính truyền nhiệt cao nên thiết bị gia nhiệt dùng dầu thường có hiệu suất sử dụng nhiệt cao - Khi thay đổi tốc độ dầu truyền nhiệt hệ số tỏa nhiệt thay đổi nhiều Vì coi hệ số tỏa nhiệt số tránh khỏi sai số, nhiều trường hợp vượt mức cho phép - Các hệ số tỏa nhiệt thay đổi thay đổi đường kính ống Đặc biệt d > 80mm hệ số tỏa nhiệt thay đổi Các kết tính toán đưa bảng số sử dụng để tính toán cách xác hệ số truyền nhiệt thực tế thiết bị gia nhiệt dùng dầu truyền nhiệt Ngoài ra, mật độ dòng nhiệt qα phụ thuộc vào nhiệt độ vách tw, hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt phụ thuộc vào Độ chênh nhiệt độ dầu truyền nhiệt vào khỏi ống ∆t1 tỉ lệ thuận với tỉ số L/d1 Trong trình tính toán ta nhận thấy ∆t1 thấp, nhiệt độ dầu truyền nhiệt thay đổi suốt trình trao đổi nhiệt Qua trình tính toán cho thấy, với liệu tính toán trên, hầu hết trường hợp dầu truyền nhiệt chảy rối ống Hơn hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ vách t w1 Như ta khái quát thành công thức tổng quát để xác định gần hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt chuyển động ống trơn nằm ngang cụ thể sau: 0,021.ω1 (C pf ρ f ) 0, 43 λ f 0,8 α1 = d1 ν f 0, (Giả sử ε1 ≈ 1; ( ,37 Pr f Prw1 , 57 , W/m2K (4) )0,25 ≈ 1) Trong đó: ω1 – Tốc độ dầu truyền nhiệt, m/s d1 – Đường kính ống, m Cpf1, ρf1, λf1, νf1 thông số vật lý dầu nhiệt độ truyền nhiệt tf1 2.4 Tính toán thiết kế lò dầu truyền nhiệt công suất 1,8 triệu kCal/h 2.4.1 Giới thiệu loại lò dầu truyền nhiệt Lò dầu truyền nhiệt sử dụng rộng rãi nước ta từ năm 1990 công nghiệp chế biến hải sản, thực phẩm, rau quả… Thiết bị sử dụng môi chất mang nhiệt dầu chuyên dụng (môi chất không chịu nén), trình trao đổi nhiệt xảy cụm ống trao đổi 12 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 nhiệt bên lò Dầu truyền nhiệt sau nhận nhiệt lượng đốt nhiên liệu, đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt khác bơm tuần hoàn, với áp suất dầu khí chuyên dụng không bị hóa nhiệt độ làm việc Nhiên liệu đốt lò thường dầu, than đá gas Các lò dầu truyền nhiệt đốt dầu (FO, DO) khí gas có hiệu suất làm việc cao nhiên từ giá dầu gas tăng kéo theo chi phí sản xuất tăng, nhà máy bắt đầu chuyển sang dùng than đá, chi phí sản xuất giảm phần ba giá thành sản phẩm thấp Lò dầu truyền nhiệt đốt than sử dụng chủ yếu nhà máy tinh bột sắn lò đốt than ghi ngang lò đốt than ghi xích Lò ghi ngang sử dụng nhà máy có công suất nhỏ vừa lò ghi xích sử dụng nhà máy có công suất lớn Hình Lò dầu truyền nhiệt đốt dầu đốt than Ưu điểm lò dầu truyền nhiệt đốt than đá Để gia nhiệt cho không khí, lò dầu truyền nhiệt đốt than đá có nhiều ưu điểm so với lò hơi: - Độ an toàn cao, chế độ thủy động tốt: Dùng lò dầu truyền nhiệt đạt nhiệt độ cao mà áp suất môi chất thấp, an toàn cho người sử dụng - Hiệu suất cao, khởi động nhanh - Giá thành lắp đặt thấp - Dễ sử dụng bảo trì, bảo dưỡng - Tuổi thọ cao ăn mòn ống - Ổn định với chế độ phụ tải - Thân lò cách nhiệt tốt thủy tinh có mật độ cao Bên bọc tôn sơn tĩnh điện đảm bảo độ bền tính mỹ thuật Ngoài có lò dầu truyền nhiệt sử dụng chế độ đốt khí biogas kết hợp với đốt than đá Công nghệ đơn giản, chủ yếu lắp vào lò đốt than số ống dẫn biogas đốt biogas thay cho than Hiệu mang lại giúp nhà máy tinh bột sắn tiết kiệm nhiên liệu trình vận hành lò dầu truyền nhiệt Bên cạnh lò dầu truyền nhiệt loại có điểm hạn chế: + Khí biogas sản xuất nhà máy tinh bột sắn có hàm lượng metan thấp 13 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 (60%) hàm lượng H2O cao (10%) Đặc điểm làm cho nhiệt trị biogas giảm xuống khoảng 20.000kJ/m3tc, làm giảm hiệu suất công suất lò + Do biogas chứa hàm lượng H 2S đáng kể (khoảng 10%) nên trình ăn mòn thiết bị xảy nhanh làm giảm tuổi thọ khả làm việc thiết bị + Lượng biogas sinh không hàm lượng lưu lượng làm ảnh hưởng đến trình vận hành Nếu biogas bị thiếu hụt thời gian ngắn làm cho trình làm việc lò bị gián đoạn 2.4.2 Thiết kế lò dầu truyền nhiệt công suất công suất 1,8 triệu kCal/h Thông số phương pháp tính toán Trong nhà máy sản xuất tinh bột sắn lò dầu truyền nhiệt dùng phổ biến Ở tiến hành tính toán thiết kế lò dầu truyền nhiệt cụ thể với công suất 1,8 triệu kCal/h Dầu truyền nhiệt chọn sử dụng loại dầu Shell Thermia B tinh chế có khả chống phân hủy nhiệt cao, bay thấp có đặc tính nhiệt nhớt tốt đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt cao tuổi thọ dài lâu Nhiên liệu đốt khí biogas kết hợp với than Antraxit để đề phòng trường hợp thiếu nhiên liệu khí Than antraxit có nhiệt trị cao, dễ cháy, nguồn nguyên liệu sẵn có, ổn định, giá thành rẻ nên tiết kiệm chi phí sản xuất hiệu kinh tế cao Do yêu cầu thiết bị nhỏ gọn, nhiên liệu đốt than để tiết kiệm chi phí ta chọn kiểu lò đứng Lò có cấu tạo gồm có pass với hai dãy vòng ống, với kết cấu vòng trước sau vòng vòng Nhiên liệu khí biogas đốt cháy buồng lửa than đá đốt ghi Qúa trình cháy diễn pass thứ nhất, sản phẩm cháy sau khỏi pass tiếp tục vào pass thứ hai sản phẩm cháy khỏi pass tiếp tục vào pass thứ sau qua ống khói thải 14 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 Hình Cấu tạo lò dầu truyền nhiệt Chú thích: - Nắp lò - Đường dầu - Đường dầu vào - Buồng đốt lò - Cửa buồng đốt - Cửa xả tro 10 - Lớp bảo ôn 11 - Vòng ống Các thông số tính toán lò dầu truyền nhiệt sau: + Công suất nhiệt Q = 1.800000 kCal/h + Nhiệt độ không khí lạnh tkk = 300C + Nhiệt độ dầu truyền nhiệt khỏi lò θ r = 2900C - Thân lò - Ghi lò - Vòi phun Biogas 12 - Vòng ống + Nhiệt độ dầu truyền nhiệt vào lò θ v = 2600C + Nhiệt dung riêng dầu truyền nhiệt Cp = 2100 J/kgK + Áp suất làm việc P = 10 kg/cm2 Để tính toán nhiệt lò ta tiến hành tính toán cho pass Pass thứ buồng lửa nên trao đổi nhiêt chủ yếu trao đổi kiểu xạ, pass pass nhiệt độ cao nên trao đổi nhiệt đồng thời hai xạ đối lưu Do nhiệt trị khí biogas lớn than nhiều nên ta cần tính toán nhiệt lò cho nhiên liệu than đủ khí biogas đủ Cấu trúc lò dầu truyền nhiệt Lò dầu truyền nhiệt cấu tạo gồm buồng đốt phần trao đổi nhiệt Thân lò lớp thép CT3 dày 8mm Diện tích trao đổi nhiệt gồm hai dãy vòng ống xoắn dang lò xo xếp sát Buồng lửa hình trụ tròn xây gạch chịu nhiệt dày 230 mm có đường kính đường kính vòng ống trao đổi nhiệt phía lò Diện tích đáy buồng lửa diện tích mặt ghi lò - Chiều cao lò: H = 5,517 m - Chiều rộng lò: L = 2,2 m - Đường kính ống trao đổi nhiệt: d = 0,09 m - Đường kính vòng ống trao đổi nhiệt phía thân lò: D1 =1,58 m - Đường kính vòng ống: D2 =1,9 m - Đường kính vòi phun biogas: dv = 0,074 m - Đường kính ống thải khói: dk = 0,6 m - Thể tích buồng lửa: Vbl = 5,004 m3 - Diện tích bề mặt ghi: R = 2,7 m2 - Vật liệu làm ống: Thép C20 Thông số khói - Nhiệt độ khói khỏi buồng lửa (pass 1): θ bl" = 644,630C - Tốc độ khói pass 1: ω1 = 8.5 m/s - Nhiệt độ khói khỏi pass 2: θ p" = 4160C 15 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NĂM 2013 - Tốc độ khói pass 2: ω2 = 12,49 m/s - Nhiệt độ khói khỏi pass 3: θ p" = 299,250C - Tốc độ khói pass 3: ω1 = 7,81 m/s Kết tính toán - Tổng công suất nhiệt lò than: Q = 2085,31 kW - Lưu lượng dầu: V = 70 m3/h - Lượng nhiên liệu tiêu hao đốt than: Bt = 348,05 kg/h - Lượng nhiên liệu tiêu hao đốt khí biogas: Bb = 499,57 m3/h - Số vòi phun biogas: nv = - Số vòng ống trao đổi nhiệt: no = 40 vòng - Hiệu suất lò: η = 71,94 % Kết luận Qua kết nghiên cứu môi chất tải nhiệt dùng kỹ thuật sấy nhiệt độ cao, có số kết luận đề xuất sau: - Với ưu điểm bật giảm thời gian sấy không gian sấy, nhu cầu thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao ngày tăng, đặc biệt ngành công nghiệp sản xuất chế biến tinh bột sắn, ngành công nghiệp xuất mà nước ta đứng hàng thứ giới - Dầu truyền nhiệt môi chất tải nhiệt tối ưu mang lại hiệu kinh tế cho hệ thống sấy nhà máy sản xuất tinh bột sắn Việt Nam Điểm trội dầu sau truyền nhiệt thu hồi triệt để tái sử dụng Hơn dầu truyền nhiệt có hệ số tỏa nhiệt lớn trì tính truyền nhiệt cao, khả bền oxy hóa bền nhiệt tốt nên đảm bảo an toàn cháy nổ trình sử dụng nhiệt độ cao - Với kết đạt ban đầu, thời gian tới tiếp tục có nghiên cứu để lựa chọn môi chất tải nhiệt nhiệt độ cao dùng cho hệ thống khác điều hòa không khí, hệ thống sản xuất hơi, nước nóng hệ thống gia nhiệt khác phân xưởng, nhà máy TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.1 Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, Cơ sở kỹ thuật nhiệt, Nhà Xuất Bản Giáo Dục 1.2 Hoàng Văn Chước, Kỹ thuật sấy, NXB khoa học kỹ thuật 1.3 Hoàng Ngọc Đồng, Giáo trình lò 1.4 Trần Thanh Kỳ, Thiết kế lò hơi, NXB khoa học kỹ thuật [5] Hoàng Ngọc Đồng, Tính nhiệt thiết bị lò hơi, Trường ĐH Bách khoa Đà Nẵng 16 KỶ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG – THÁNG NĂM 2013 [6] Hoàng Kim Cơ, Tính toán kỹ thuật nhiệt luyện kim, Nhà Xuất Bản Giáo Dục [7] Bùi Hải, Trần Văn Vang, Ống nhiệt ứng dụng ống nhiệt, NXB Bách khoa Hà Nội [8] Nguyễn Bốn, Giáo trình Thiết bị trao đổi nhiệt [9] Phạm Xuân Toản, Các trình thiết bị trao đổi nhiệt, NXB khoa học kỹ thuật [10] PGS.TSKH.Trần Văn Phú, Tính toán thiết kế hệ thống sấy, NXB khoa học kỹ thuật [11] Kristensen, High temperature drying of organically grown bread rye [12] Tiemann, The Kiln Drying of Lumber 17 ... ảnh hưởng đến chất lượng hạt tinh bột, nhiệt độ tác nhân sấy vào ống sấy khoảng 1600C 2.2 Giới thiệu môi chất tải nhiệt dùng kỹ thuật sấy nhiệt độ cao Trong thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao, ... đoạn sấy, nâng cao hiệu kỹ thuật sấy nhiệt độ cao Cần phải có nghiên cứu đưa đánh giá cách tổng thể môi chất tải nhiệt tư vấn cho doanh nghiệp đơn vị sản xuất nhằm lựa chọn môi chất tải nhiệt. .. mang lại hiệu kinh tế cao Nội dung nghiên cứu 2.1 Tổng quan thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao Như ta biết, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao có nhiệt độ tác nhân sấy lớn nhiệt độ bão hòa ứng với