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

- 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.

-

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

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



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 5.5: 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


-

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.


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


-

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)

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:


84
-
1
1
1
1
tb
tK
Q
F
∆
=

2
2
2
2
tb
tK
Q
F
∆
=

3
3
3
3
tb

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