Chi phí năng lượng trong hệ nấu bao gồm: - Lượng nhiệt hữu ích để gia nhiệt cho dịch; - Lượng nhiệt để đốt nóng kết cấu vỏ;
- Lượng nhiệt tổn thất trong quá trình nấu (tổn thất qua kết cấu, tổn thất do bã thải, tổn thất do bay hơi).
Quá trình tính toán lượng nhiệt tiêu tốn cho hệ nấu bao gồm: tính lượng nhiệt cấp cho nồi hồ hoá, nồi đường hoá, nồi húp lông hoá, nồi lọc, nồi lắng xoáy. Vì thiết bị trong hệ nấu có cấu tạo tương tự nhau nên chỉ tính chi tiết cho một nồi, các nồi khác áp dụng công thức và phương pháp tính tương tự. ở đáy của các nồi hồ hoá, đường hoá, đa năng, nồi lọc có lắp cánh khuấy, mục đích là để cho dịch được gia nhiệt đồng đều, tuy nhiên công suất của cánh khuấy nhỏ, vì vậy có thể bỏ qua năng lượng mà cánh khuấy truyền cho dịch.
+ Nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của dịch
Quá trình gia nhiệt cho dung dịch hồ hoá gồm bốn giai đoạn - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 23,6 oC đến 30 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 30 oC đến 72 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 72 oC đến 83 oC; - Giai đoạn nâng nhiệt độ cho dịch từ 72 oC đến 100 oC.
Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ dung dịch hồ hoá từ 23,6 oC đến 72 oC và từ 72oC đến 83 oC (với khối lượng dịch cháo, nhiệt dung riêng dịch cháo đã tính ở mục trên) là:
Q1 = Gdịch1. C dịch1. ∆t (2-38)
= 6979. 3,71. (83-23,6) = 1538203 (kJ).
Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ dung dịch hồ hoá từ 72oC đến 100oC
sau khi hạ nhiệt:
Q2 = Gdịch2. C dịch2. ∆t (2-39)
= 8387. 3,79. (100-72) = 847980 (kJ).
+ Nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của vỏ
Quá trình gia nhiệt cho vỏ nồi hồ hoá cũng bao gồm bốn giai đoạn tương tự như đối với dịch.
Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ vỏ nồi hồ hoá từ 23,6 oC đến 83 oC: Qv1 = Gvỏ. C vỏ. ∆t1 (3-40)
Theo tài liệu kỹ thuật, inox 304 có nhiệt dung riêng là 0,48 kJ/kg.K. Với khối lượng, nhiệt dung riêng dịch cháo đã tính ở mục trên, ta được:
Qv1 = 6979. 0,48. (83-23,6) = 1538203 (kJ).
Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ vỏ nồi hồ hoá từ 720C đến 100 oC sau
khi hạ nhiệt:
Qv2 = Gvỏ. C vỏ. ∆t2 (3-41)
= 8387. 3,79. (100-72) = 847980 (kJ).
+ Tính tổn thất nhiệt do truyền nhiệt ra môi trường
Tổn thất nhiệt qua kết cấu nồi được tính cho các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: hoà trộn nguyên liệu ở 30oC 15 phút;
Giai đoạn 2: gia nhiệt từ 30oC đến 72oC trong 25 phút; Giai đoạn 3: ngâm ủ ở 72 oC trong 20 phút;
Giai đoạn 4: gia nhiệt độ từ 72oC đến 83oC trong 11 phút; Giai đoạn 5: ngâm ủ ở 83oC trong 5 phút;
Giai đoạn 6: hạ nhiệt độ từ 83oC xuống còn 72oC trong 6 phút; Giai đoạn 7: ngâm ủ ở 72 oC trong 25 phút;
Giai đoạn 8: gia nhiệt từ 72oC đến 100oC trong 25 phút; Giai đoạn 9: đun sôi ở 100oC trong 15 phút.
Tổn thất nhiệt từ thiết bị ra môi trường được chia làm hai phần: nhiệt toả từ bề mặt ngoài của thiết bị tới môi trường và dẫn nhiệt qua vách.
- Nhiệt truyền ra ngoài môi trường từ bề mặt ngoài của nồi được tính
theo công thức: Q = α. F. (tw - tf) (2-42)
Trong đó:
Q - dòng nhiệt tổn thất qua bề mặt vách (W). F - diện tích trao đổi nhiệt (m2).
tw - nhiệt độ trung bình của bề mặt vách (oC). tf - nhiệt độ môi trường (oC).
Bề mặt trao đổi nhiệt của nồi được tính theo 2 cách: phần nắp và phần đáy nồi được tính theo vách phẳng; phần thân tính theo vách trụ.
• Tính cho bề mặt vách trụ:
Vách trụ gồm 3 lớp, cấu trúc vách trụ được thể hiện trên hình 2-4 - Lớp 1 (trong cùng) được làm bằng inox AISI 304 có hệ số dẫn nhiệt: λ1 = 15,45 W/mK; chiều dày 4 mm.
- Lớp 2: là lớp bông thuỷ tinh có độ dày 100 mm và có hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,0394 + 0,000348. ttb W/m.K
ttb: nhiệt độ trung bình của bông thuỷ tinh, ttb = 0,5(tw1 + tw), oC. - Lớp 3: là lớp thép inox AISI 304 bọc ngoài cùng, có chiều dày 2 mm. Cấu trúc vách trụ và đáy của nồi được thể hiện trên hình 2-4:
Hệ số toả nhiệt α được tính theo công thức sau:
α = αđl + αbx (2-43) Trong đó:
αđl - Hệ số toả nhiệt đối lưu được tính bằng công thức:
h Num kk
dl
λ
α = . (W/m2.K) [4]. (2-44)
αbx: Hệ số toả nhiệt bức xạ và được tính theo công thức: αbx = 4εδ.Ttb3 (W/m2.K). (2-45)
Với: Num - Tiêu chuẩn Nusselt;
h: Chiều cao thân nồi (m);
3
tb
T : Nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ vách và
được tính bằng: 3 tb T = 273 + 2 w f t t + Với:
ε: Độ đen của vật liệu, ε = 0,3
σ: Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối. σ0 = 5,67.10 -8 (W/m2.K4 ).
Vì quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ở đây là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian rộng vô hạn nên tiêu chuẩn Nusselt được xác định theo công thức:
Num = C(Gr.Pr)n m [4]. (2-47)
Với nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình: tm = 0,5.(tw + tf) Các tiêu chuẩn đồng dạng khác được tính theo các công thức:
Gr: tiêu chuẩn Grashof, Gr = 23.
v t h gβ ∆
Pr: tiêu chuẩn Prandt, Pr =av Trong đó:
ν: Độ nhớt động học, [m2/s].
β: Hệ số giãn nở thể tích, [1/K].
a: Hệ số dẫn nhiệt độ, [m2/s].
Dòng nhiệt truyền qua thân trụ 3 lớp ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ: q = 3 4 2 3 1 2 1 ln 2 1 ln 2 1 ln 2 1 d d d d d d t tw w πλ πλ πλ + + − (W/m).
Giả thiết nhiệt độ bề mặt vách trong bằng nhiệt độ của dịch nóng: tv =tw1
Do chiều dày hai lớp kim loại 1 và 3 rất nhỏ và hệ số dẫn nhiệt lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của bông thuỷ tinh rất nhiều nên bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở 2 lớp này, khi đó: q = 2 3 ln 2 1 1 d d πλ (W/m). (2-48)
Dòng nhiệt truyền qua vách trụ ứng với một đơn vị chiều dài vách được xác định theo công thức:
q = α. π. d4.(tw - tf) (W/m) (2-49)
Trong hai công thức (2-44) và (2-45) trên, các đại lượng α, λ phụ thuộc vào tw nhưng tw chưa biết. Vậy muốn xác định được dòng nhiệt phải tính được tw. Giá trị tw là giá trị đảm bảo kết quả tính dòng nhiệt tính theo 2 công thức (3-48) và (3-49) phải bằng nhau nên suy ra:
q = 2 3 ln 2 1 1 d d πλ = α. π. d4.(tw - tf) (W/m). (2-50)
Ta dùng phương pháp lặp để giải bài toán này. Lập các công thức và sử dụng phần mềm Excel để giải rất thuận tiện và đạt độ chính xác cao. Bằng
cách cho các giá trị tw khác nhau, giá trị nào thoả mãn phương trình (2-50) thì đó chính là nhiệt độ bên ngoài của thân trụ. Kết quả tính toán được thể hiện trên bảng 2-4.
+ Tính cho bề mặt phần đáy nồi:
Tương tự như thân nồi, cấu trúc của đáy nồi cũng gồm 3 lớp: lớp 1 và lớp 2 giống thân trụ, riêng lớp 3 có chiều dày 0,5 mm.
Do lớp 1 và lớp 3 có chiều dày nhỏ nên bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở hai lớp này. Khi đó, tương tự như đối với thân trụ, mật độ dòng nhiệt cho phần đáy được xác định theo công thức sau:
q = δλ.(tw1- tw) = α.(tw-tf) (2-51)
Nhiệt tổn thất qua phần đáy: Q = q.s (W). α: Được tính theo công thức (2-31).
tw1: là nhiệt độ của áo hơi, vì các áo hơi là vật liệu dẫn nhiệt tốt, nên có thể coi nhiệt độ của áo hơi bằng nhiệt độ của hơi: tw1 = th
S: là diện tích đáy, được tính như sau: S = ) 2 90 cos( . 4 . 0 2 3 α π − d , α là góc côn.
Do mặt dưới đáy nồi có các áo hơi bao quanh. Hơi đi bên trong các áo này truyền nhiệt cho dịch đồng thời bị tổn thất một phần ra ngoài môi trường nên đối với những giai đoạn có cấp hơi, nhiệt độ tính toán tw1 được lấy bằng nhiệt độ hơi. Mặt khác bề mặt đốt nóng của đáy nồi quay xuống dưới do đó hệ số toả nhiệt đối lưu của không khí thực tế thu được sẽ giảm đi 30% so với tính toán. Hơi đi vào áo hơi có áp suất 4 bar, tra bảng, ứng với áp suất đó có nhiệt độ của hơi:
th = 143,62oC.
+ Tính nhiệt tổn thất qua phần nắp nồi
Do vách rất mỏng, hơn nữa hệ số dẫn nhiệt của vật liệu AISI 304 nên bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở của vách tới quá trình truyền nhiệt ra bên ngoài. Khi đó nhiệt độ bề mặt vách trong bằng nhiệt độ bề mặt vách ngoài.
Mật độ dòng nhiệt tổn thất qua nắp có thể tính theo công thức: q = α1.(tv - tw) (W/m2)
q = α2.(tw - tf) (W/m2)
α1: Hệ số toả nhiệt từ môi trường nóng vào bề mặt vách trong. α2: Hệ số toả nhiệt từ bề mặt vách ngoài ra môi trường.
Hệ số toả nhiệt α1, α2 được tính theo công thức (2-31), riêng αđl1, αđl2 được tính theo công thức:
αđl = 2,56.4
f w t
t − (2-52)
+ Tổn thất do hơi nước mang ra ngoài
