›
›

Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

pdf 48 trang hapham 5341
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfcac_qua_trinh_va_thiet_bi_truyen_nhiet.pdf

Nội dung text: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

  1. Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt
  2. Mục lục 1. Truyền nhiệt 1 1.1. Dẫn nhiệt 3 1.1.1. Khái niệm 3 1.1.2. Định luật dẫn nhiệt Fourier và độ dẫn nhiệt 3 1.1.3. Phương trình vi phân dẫn nhiệt 4 1.1.4 Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng 5 1.2. Nhiệt đối lưu 7 1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton 7 1.2.2 Phương trình vi phân của nhiệt đối lưu 7 1.2.3 Đồng dạng của các quá trình nhiệt 7 1.3 Nhiệt bức xạ 9 1.3.1 Khái niệm cơ bản 9 1.3.2 Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt 10 1.3.3 Bức xạ giữa hai vật thể rắn 11 1.3.4 Bức xạ nhiệt của chất khí 11 1.4. Truyền nhiệt 12 1.4.1. Trao đổi nhiệt phức tạp 12 1.4.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống 12 1.4.3 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định 14 2. Đun nóng – Làm mát - Ngưng tụ 16 2.1. Đun nóng 16 2.1.1. Nguồn nhiệt và phương pháp đun nóng 16 2.1.2. Đun nóng bằng hơi nước bão hòa 18 2.1.3. Đun nóng bằng khói lò 20 2.1.4. Đun nóng bằng dòng điện 20 2.1.5. Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt 22 2.2. Làm mát - ngưng tụ 24 2.2.1. Làm mát 24 2.2.2. Ngưng tụ 24
  3. 2.2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt 27 3. Cô đặc 31 3.1 Khái niệm chung 31 3.2. Cô đặc một nồi 31 3.3. Cô đặc nhiều nồi 32 3.4. Cấu tạo thiết bị cô đặc 33 4. Quá trình lạnh 38 4.1. Lạnh đông 38 4.1.1. Khái niệm cơ bản 38 4.1.2. Cơ sở nhiệt động của quá trình lạnh đông 38 4.1.3. Chu trình lý tưởng của máy lạnh nén hơi. 39 4.1.4. Chu trình thực của máy lạnh 39 4.1.5.Tác nhân lạnh 40 4.1.6. Chất tải lạnh 41 4.1.7. Máy nén hai bậc. 42 4.1.8. Sơ đồ làm lạnh liên hợp. 42 4.1.9. Máy làm lạnh kiểu hấp phụ. 43 4.1.10. Máy làm lạnh kiểu Tuy-e 43 4.1.11. Máy làm lạnh bằng không khí 44 Tài liệu tham khảo 45
  4. 1. Truyền nhiệt Trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa học và thực phẩm, nhiều quá trình cần được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ xác định thì vận tốc của quá trình và chất lượng sản phẩm mới đảm bảo. Để giữ được nhiệt độ của quá trình theo yêu cầu, trong công nghiệp thường tiến hành các quá trình đun nóng, ngưng tụ, làm mát. Đó là các quá trình truyền nhiệt. Khái niệm: quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Có hai quá trình truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt ổn định và quá trình truyền nhiệt không ổn định. - Quá trình truyền nhiệt ổn định: t = f (x,y,z) : chỉ có trong thiết bị làm việc liên tục. - Quá trình truyền nhiệt không ổn định: t = f(x,y,z,) : thiết bị làm việc gián đoạn hoặc giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục. Trong đó: t - nhiệt độ x, y, z - các thông số về không gian  - thời gian Các phương thức truyền nhiệt: - Dẫn nhiệt / Conduction: quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. - Đối lưu / Convection: quá trình truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc chất khí đổi chỗ cho nhau, do chúng có nhiệt độ khác nhau hoặc là do bơm, quạt, khuấy trộn. - Bức xạ / Radiation: quá trình truyền nhiệt dưới dạng các sóng điện từ. Nhiệt năng biến thành các tia bức xạ rồi truyền đi, khi gặp vật thể nào đó thì một phần năng lượng bức xạ đó được biến thành nhiệt năng, một phần phản xạ lại, và một phần xuyên qua vật thể.  Dẫn nhiệt: - Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt kém được gọi là vật cách nhiệt. Các electron tự do tạo nên khả năng dẫn nhiệt tốt ở các kim loại. 1
  5. - Hầu hết các kim loại là các vật liệu dẫn nhiệt tốt, các loại nhựa là vật liệu cách nhiệt tốt. - Các vật liệu dẫn nhiệt tốt được gọi là vật dẫn nhiệt, các vật liệu dẫn nhiệt kém được gọi là vật cách nhiệt.  Đối lưu: - Dòng không khí đối lưu hình thành do chênh lệch nhiệt độ giữa đại dương và lục địa. - Dòng đối lưu được hình thành khi trong nồi có nước được đun nóng.  Bức xạ: - Năng lượng được truyền bằng các sóng điện từ. - Ánh sáng, vi sóng, sóng radio, tia X. - Bước sóng phụ thuộc vào tần số bức xạ. 2
  6. 1.1. Dẫn nhiệt 1.1.1. Khái niệm Nhiệt trường: tập hợp tất cả các trị số nhiệt độ tức thời của vật thể hoặc của môi trường được gọi là nhiệt trường (trường nhiệt độ) Nhiệt trường ổn định Nhiệt trường không ổn định t = f (x,y,z) t = f (x,y,z,) Mặt đẳng nhiệt: tập hợp tất cả các điểm có nhiệt độ giống nhau Gradient nhiệt độ (Grad t): sự thay đổi nhiệt độ (lớn nhất) trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt 푡 lim = (푡) 푛 0 푛 Grad t là vector (hình 1.1) Hình 1.1. Grad t - Có phương trùng với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt. - Chiều trùng với chiều tăng nhiệt độ (ngược chiều với dòng nhiệt). - Có độ lớn bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương pháp tuyến. 1.1.2. Định luật dẫn nhiệt Fourier và độ dẫn nhiệt Định luật Fourier: Nguyên tố nhiệt lượng dQ dẫn qua một đơn vị bề mặt dF trong một đơn vị thời gian d thì tỉ lệ với grad t, bề mặt dF và thời gian d 푡 dQ = -. 퐹.  , 퐽 푛 Q: nhiệt lượng, W 2 F: bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m . 푡 gradt, oC/m. 푛 - Quá trình ổn định: 푡 푄 = −휆. 퐹 , 푊 푛 : thời gian, s : độ dẫn nhiệt, w/m oC Độ dẫn nhiệt  của các vật thể rắn, lỏng, khí - Độ dẫn nhiệt biểu thị khả năng dẫn nhiệt của vật chất, đặc trưng cho tính chất vật lý của vật chất 3
  7. - Độ dẫn nhiệt thường được xác định bằng thực nghiệm. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí nhỏ hơn chất rắn. - Độ dẫn nhiệt phụ thuộc: . Cấu trúc. . Khối lượng riêng. . Hàm ẩm. . Nhiệt độ. 1.1.3. Phương trình vi phân dẫn nhiệt Giả thiết: các tính chất vật lý (khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt) không đổi theo không gian và thời gian. Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi vào hình hộp trong khoảng thời gian d được xác định theo phương trình Fourier 푡 Qx = -.   푡 Qy = -.   푡 Qz = -.   Lượng nhiệt dẫn qua các mặt đi ra khỏi hình hộp: 푡  푡 Qx+dx = -.  - -.     푡  푡 Qy+dy = -.  - -.     푡  푡 Qz+dz = -.  - -.     4
  8. Hiệu số lượng đi vào và đi ra khỏi các mặt hình hộp: 휕2푡 dQx = Qx+dx – Qx =   휕 2 휕2푡 dQx = Qx+dx – Qx =   휕 2 휕2푡 dQx = Qx+dx – Qx =   휕 2 dQ = dQx + dQy + dQz 휕2푡 휕2푡 휕2푡 dQ = ( + + )  휕 2 휕 2 휕 2 dQ = 2t.dV.d Theo định luật bảo toàn năng lượng, lượng nhiệt tăng thêm phải bằng lượng nhiệt tiêu hao để làm biến đổi nhiệt lượng riêng trong hình hộp: 휕푡 dQ = C. .dV. d 휕 C: Nhiệt dung riêng của vật thể,J/kg.độ. : Khối lượng riêng của vật thể, kg/m3 휕푡 d: Biến thiên nhiệt độ theo thời gian. 휕 Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất tĩnh: 휕푡 휕푡  C = 2t = a2t a = 휕 휕 C Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong môi trường đồng nhất với quá trình ổn định: 휕2푡 휕2푡 휕2푡 2t = 0 hoặc: + + = 0 휕 2 휕 2 휕 2 1.1.4 Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng  Tường phẳng một lớp: 휕2푡 = 0 휕 2 푡 = 0 휕 t = C2 + C1x Hình 1.2. Dẫn nhiệt qua tường phẳng 5
  9. Điều kiện biên: x = 0 t = tT1 = C2 푡 2 − 푡 1 x =  t = tT2 = C1 + tT1 hay C1 =  푡 − 푡 t = 2 1 + 푡  2 휕푡 푡 − 푡 = 2 1 휕  푡 − 푡 dQ = - 2 1 퐹 , 퐽  Với quá trình ổn định : 푡 − 푡 Q =  1 2 퐹, 푊   Tường phẳng nhiều lớp : 1 Lớp thứ nhất Q = (푡 1 – 푡1)퐹 1 2 Lớp thứ hai Q = (푡1– 푡2)퐹 2 푛 Lớp cuối cùng Q = (푡푛– 푡 2 )퐹 푛 (푡 − 푡 )퐹 Hoặc : Q = 1 2 푛 푖 ∑푖=1 푖 Hình 1.3. Dẫn nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp.  Tường ống một lớp : Phương trình dẫn nhiệt qua tường ống một lớp trong trạng thái ổn định : 2 퐿(푡 1− 푡 2) Q = 1 , W 2,3.log 2  1 Hình 1.4. Dẫn nhiệt qua tường ống 1 lớp  Tường ống nhiều lớp : 2 퐿(푡 1− 푡 2) Q = 푛 1 푖+1, W ∑푖=1 2,3.log  푖 2 2 dùng phương trình tường phẳng. 1 6
  10. 1.2. Nhiệt đối lưu 1.2.1. Định luật cấp nhiệt Newton Quá trình cấp nhiệt rất phức tạp, để đơn giản hóa, người ta dùng định luật cấp nhiệt của Newton: Lượng nhiệt dQ do một phân tố bề mặt dF của vật rắn cấp cho môi trường xung quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian d thì tỉ lệ với hiệu số nhiệt độ giữa vật thể và môi trường, với dF và d dQ = (tT – t)dFd Với quá trình ổn định : Q = (tT – t)F, W Hệ số cấp nhiệt : là lượng nhiệt do một đơn vị bề mặt của tường cấp cho môi trường xung quanh (hoặc ngược lại) trong khoảng thời gian một giây khi hiệu số nhiệt độ giữa tường và môi trường (hoặc ngược lại) là 1 độ. 푄 푊 [ ] = [ ] = [ 2표 ] (푡 − 푡)퐹 Hệ số cấp nhiệt là một đại lượng rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Loại chất tải nhiệt (khí, lỏng, hơi). - Chế độ chuyển động của chất tải nhiệt. - Tính chất vật lý của chất tải nhiệt. - Kích thước, hình dạng, trạng thái của bề mặt trao đổi nhiệt 1.2.2 Phương trình vi phân của nhiệt đối lưu Chỉ áp dụng với quá trình truyền nhiệt ổn định : 휕푡 휕푡 휕푡 2 dQ = Cp{푊 + 푊 + 푊 } = ( 푡) 휕 휕 휕 Rút ra phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier – Kirchhoff : 휕푡 휕푡 휕푡 2  2 Cp{푊 + 푊 + 푊 } = ( 푡); ( 푡) 휕 휕 휕 1.2.3 Đồng dạng của các quá trình nhiệt Quá trình đối lưu nhiệt được mô tả bởi một hệ phương trình : - Phương trình vi phân cân bằng của Ơ-le. - Phương trình dòng liên tục. - Phương trình vi phân cấp nhiệt đối lưu Fourier – Kirchhoff. 7
  11. Phải dựa vào lý thuyết đồng dạng để chuyển phương trình vi phân thành phương trình chuẩn số. Chuẩn số Nuxen: 푙 =  Đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt trên bề mặt phân giới. Chuẩn số Pecle: 푤푙 = 푃푒 Được rút ra từ phương trình Fourier – Kirchhoff. Ngoài các chuẩn số trên, từ các phương trình chuyển động có các chuẩn số Eu, Fr, Re nên có thể biểu diễn : F(Nu, Pe, Eu, Pr, Re) = 0 Trong khi : Eu = f(Re) Kết hợp Pe và Nu có chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của môi trường: 푤푙 푃푒    Pr = = = = = 푅푒 푤푙    Kết hợp Re và Fr có chuẩn số Galile: 푙 푤푙 푙3 Ga = Fr.Re2 = ( ) = 푤2   Chuẩn số Gratkov, đặc trưng cho truyền nhiệt khi đối lưu tự nhiên : 푙3 Gr =  푡  Phương trình cấp nhiệt tổng quát được biểu diễn dưới dạng phương trình chuẩn số là: F(Nu, Pe, Eu, Pr, Re) = 0 Nu = f’(Re, Pr, Gr) Dạng cụ thể ở dạng hàm số mũ : Nu = C RekPrmGrn Hệ số được xác định theo quan hệ :  = C (푅푒 푃 푛) 푙 Hệ số cấp nhiệt chỉ có thể được xác định với từng trường hợp cụ thể với mỗi thiết bị riêng biệt. 8
  12. 1.3 Nhiệt bức xạ 1.3.1 Khái niệm cơ bản Trao đổi nhiệt bức xạ: là một dạng trao đổi nhiệt không cần có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các vật tham gia quá trình trao đổi nhiệt. Bức xạ và hấp thụ nhiệt của vật thể : - Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều có khả năng bức xạ năng lượng. - Các tia có hiệu ứng nhiệt cao nhất: tia hồng ngoại và ánh sáng trắng ( = 0,4 - 400m). - Các tia nhiệt truyền trong không gian và đập vào một vật khác, bị hấp thụ và biến thành năng lượng nhiệt. - Hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc : bản chất, trạng thái bề mặt, hình dạng, kích thước của vật phát và vật thu. - Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai lần biến đổi năng lượng : Biến đổi nội năng thành sóng điện từ (vật phát) Biến đổi từ sóng điện từ thành nhiệt năng (vật thu). Q = QA + QR + QD 푄 푄푅 푄 + + = 1 푄 푄 푄 푄 = hệ số hấp phụ 푄 A = 1 : vật đen tuyệt đối 푄 푅 = 푅 hệ số phản xạ 푄 D = 1 : vật trong tuyệt đối 푄 R = 1 : vật trắng tuyệt đối = hệ số khúc xạ 푄 D = 0 : vật xám đục Dòng bức xạ Q (W) : lượng nhiệt bức xạ phát ra từ vật với mọi bước sóng, trong một đơn vị thời gian Bức xạ đơn : lượng nhiệt bức xạ ứng với một khoảng chiều dài bước sóng hẹp  + d. Năng suất bức xạ (E, W/m2) : dòng nhiệt bức xạ phát trên một đơn vị diện tích bề mặt bức xạ : 푄 E = 푊/ 2 퐹 Khả năng bức xạ : tổng của bức xạ bản thân (E) và bức xạ phản xạ (ER) 9
  13. EHD = ER + E = (1-A)Et Bức xạ hiệu quả (q,W/m2) : lượng nhiệt trao đổi với môi trường xung quanh tính trên một m2 Nếu vật khảo sát có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường : q = EA – E = A.Et - E Nếu vật tỏa nhiệt vào môi trường : q= E – EA = E – A.Et Tổng quát : 1 Dấu + : vật nhận nhiệt từ môi trường EHD = 푞 ( − 1) Dấu - : vật tỏa nhiệt ra môi trường 1.3.2 Các định luật cơ bản về bức xạ nhiệt  Định luật Planck -3 o maxT = 2,898.10 m K Năng lượng bức xạ tại nhiệt độ thường gặp trong kỹ thuật tập trung trong khoảng 0,8 - 100m E(,T) = E0(, T)  Định luật Stefan – Boltzmann ퟒ 4 푻 E0 = K0T = C0( ) 8 푊 C0 = K0.10 = 5,7 2(퐾)4 -8 푊 K0 = 5,7.10 2(퐾)4 Với vật xám : 4 4 E = E0 = C0( ) = ( ) 100 100  Định luật Kirchnoff: tỉ số giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng của vật xám chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng một nhiệt độ. ( ) = ( ) ( ) Với bức xạ đơn sắc : ( ) = 0( ) ( ) 10
  14. 1.3.3 Bức xạ giữa hai vật thể rắn  Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song nhau : Q1-2 = EHD1 – EHD2 = q1 = q2 4 4 1 2 Q1-2 = C1-2([ ] − [ ] ) 100 100  Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể bao trùm nhau : 4 4 1 2 Q1-2 = C1-2([ ] − [ ] ) 100 100 Với : F1 : bề mặt vật thể bị bao bọc 0 C1-2 = 1 퐹 1 + 1( − 1) F2 : bề mặt vật thể bao bọc 1 퐹2 2  Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể đặt bất kì trong không gian: 4 4 1 2 Q = C1-2([ ] − [ ] ) . , 푊 100 100 1−2 1 2 Với: C1-2 = 표 1-2: hệ số góc trung bình được xác định theo công thức hoặc số liệu thực nghiệm. 퐹2 cos 1 cos 2 1-2 = ∬ 퐹1 퐹2 퐹1 1.3.4 Bức xạ nhiệt của chất khí Cường độ bức xạ của chất lỏng gần bằng cường độ bức xạ của chất rắn, nhưng thường bị bỏ qua do nó lớn không đáng kể so với toàn bộ quá trình trao đổi nhiệt đối lưu Phần lớn các chất khí (một nguyên tử và hai nguyên tử) là chất trong suốt với các tia nhiệt. Các chất khí khác (CO2, SO2, H2O, NH3 ) có tính chất bức xạ và hấp thụ các tia nhiệt trong khoảng bước sóng nhất định Quá trình hấp thụ và bức xạ nhiệt xảy ra trong toàn bộ thể tích khí Có thể coi bức xạ khí cũng tuân theo định luật Stefan – Bolztmann: 4 Q = KC0[ ] 100 11
  15. 1.4. Truyền nhiệt 1.4.1. Trao đổi nhiệt phức tạp Việc vận chuyển nhiệt lượng được xảy ra đồng thời theo ba phương thức: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu. Quá trình trao đổi nhiệt như vậy gọi là trao đổi nhiệt phức tạp. Ví dụ: sự trao đổi nhiệt giữa vật thể rắn và môi trường khí. Quá trình này gồm cả đối lưu và bức xạ. 1.4.2 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng và tường ống Truyền nhiệt: quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác (cấp nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt) Truyền nhiệt đẳng nhiệt: xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo cả vị trí và thời gian, tức là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian. Truyền nhiệt biến nhiệt: xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của lưu thể có thay đổi trong thời gian làm việc, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có thay đổi: - Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi trong không gian. Chỉ xảy ra với các qúa trình làm việc liên tục - Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định: khi hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có biến đổi theo cả vị trí và thời gian. Chỉ xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn.  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng: Quá trình truyền nhiệt từ lưu thể nóng đến lưu thể mát gồm ba giai đoạn: - Nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến bề mặt tường (cấp nhiệt). - Nhiệt dẫn qua tường (dẫn nhiệt). - Nhiệt truyền từ mặt tường đến lưu thể mát (cấp nhiệt). 1  1 Q( + + ) = 퐹(푡1 − 푡2) 1  2 1 Q = 1  1 . 퐹. ( 푡1 − 푡2) ( + + ) 1  2 Hệ số truyền nhiệt K là lượng nhiệt truyền đi trong 1 giây từ lưu thể nóng đến lưu thể mát qua 1m2 bề mặt tường phân cách khi hiệu số nhiệu độ giữa hai lưu thể là 1 độ. 12
  16. Hình 1.5. Truyền nhiệt qua tường phẳng  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng nhiều lớp: 1 푊 퐾 = , 1 푛 푖 1 2độ ( + ∑푖=1 + ) 1 푖 2  Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống Vùng I: cấp nhiệt từ 푄 Q = 1.(t1 – tT1)2 r1L t1 – tT1 = lưu thể nóng đến 12 1퐿 tường. ( ) 1 2 2 퐿 푡 1− 푡 2 푄 2,3. log Vùng II: dẫn nhiệt Q = 1  2,3.log 2 푡 − 푡 = 1 qua tường  1 1 2 2 퐿 Vùng III: cấp nhiệt 푄 Q = 2(tT2 – t2)2 r2 tT2 – t2 = đối lưu từ tường đến 2퐿2 2 lưu thể lạnh 13
  17. 푄 푡1 − 푡2 = 푅1+ 푅2+ 푅3 Q = KT(t1 – t2)2 L 1 퐾 = 2 퐿푅 1 퐾 = 1 + 12,3푙 2+ 1 1 1  1 2 2 Hình 1.6. Truyền nhiệt qua tường ống 1.4.3 Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định Hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể biến đổi theo vị trí nhưng không biến đổi theo thời gian (tương ứng từng vị trí của bề mặt trao đổi nhiệt, hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có giá trị khác nhau) Không thể tính lượng nhiệt truyền đi với t = t1- t2 như trong truyền nhiệt đẳng nhiệt mà phải tính theo nhiệt độ trung bình ttb  Chiều chuyển động của lưu thể: - Lưu thể nóng giảm nhiệt độ từ t1d đến nhiệt độ cuối t1c. - Lưu thể mát tăng nhiệt độ từ t2d đến nhiệt độ cuối t2c Hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể thay đổi từ trị số đầu td đến trị số cuối tc  Hiệu số nhiệt độ trung bình - Chảy xuôi chiều: Vì hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể thay đổi theo vị trí nên ta phải nghiên cứu hiện tượng truyền nhiệt qua một nguyên tố bề mặt rất nhỏ dF để hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt lưu thể thay đổi không đáng kể. Lượng nhiệt truyền qua một nguyên tố bề mặt dF: dQ = K(t1 – t2)dF, W Đối với lưu thể nóng: 14
  18. dQ = -G1C1dt1 Đối với lưu thể mát: dQ = G2C2dt2 ∆푡 − ∆푡 Hiệu số nhiệt độ trung bình: Q = KF ∆푡 푙푛 ∆푡 Q = KF ttb ∆푡 ∆푡 + ∆푡 2: ttb = ∆푡 2 ∆푡 − ∆푡 - Chảy ngược chiều: ∆푡푡 = ∆푡 푙푛 ∆푡 Lấy hiệu số nhiệt độ nào lớn hơn làm hiệu số nhiệt độ đầu td và hiệu số nhiệt độ nào nhỏ hơn làm hiệu số nhiệt độ cuối tc. - Chảy chéo dòng: ∆푡 − ∆푡 ∆푡 =  푡 ∆푡 ∆푡 푙푛 ∆푡 Hệ số  t phụ thuộc vào tỷ số nhiệt độ của các chất tải nhiệt. 15
  19. 2. Đun nóng – Làm mát - Ngưng tụ 2.1. Đun nóng 2.1.1. Nguồn nhiệt và phương pháp đun nóng i) Nguồn nhiệt - Nguồn nhiệt trực tiếp: khói lò, dòng điện. - Chất tải nhiệt trung gian (lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng): hơi nước, hơi nước quá nhiệt, dầu khoáng, các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi của nó, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó và một số kim loại hoặc hợp kim ở trạng thái lỏng. - Nhiệt của các khí thải hoặc chất lỏng thải có nhiệt độ cao. Tiêu chí lựa chọn chất tải nhiệt : - Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ. - Áp suất hơi bão hoà và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ. - Độ độc và tính hoạt động hoá học. - Độ an toàn khi đun nóng (không cháy , nổ v.v ). - Rẻ và dễ tìm. ii) Các phương pháp đun nóng.  Đun nóng bằng hơi nước bão hòa Ưu điểm: - Hệ số cấp nhiệt lớn ( = 10000÷15000 W/m2 độ). - Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo một đơn vị chất tải nhiệt). - Đun nóng được đồng đều. - Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng. - Vận chuyển xa được dễ dàng theo đường ống. Nhược điểm: - Không thể đun nóng được ở nhiệt độ cao Ví dụ hơi nước ở 350oC thì áp suất hơi bão hoà là 180 at; ở 374oC ( nhiệt độ tới hạn) áp suất là 225 at và ẩn nhiệt hoá hơi bằng 0 (r = 0).  Đun nóng bằng khói lò 16
  20. Đun nóng bằng khói lò được dùng rất phổ biến, nhất là trong hoàn cảnh nước ta hiện nay, phương pháp này có thể đạt được tới 1000oC. Khói lò được tạo thành khi đốt cháy các nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí ở trong các lò đốt Ưu điểm: có thể tạo được nhiệt độ cao. Nhược điểm: - Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ (không quá 100 w/m2độ) do đó thiết bị cồng kềnh - Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ - Đun nóng không được đồng đều - Khó điều chỉnh nhiệt độ đun nóng nên dễ có hiện tượng quá nhiệt cục bộ và gây ra phản ứng phụ không cần thiết - Khói lò thường có bụi và khí độc của nhiên liệu do đó khi đun nóng gián tiếp, bề mặt truyền nhiệt sẽ bị bám cặn - Khi đun nóng trực tiếp sẽ bị hạn chế: Nếu đun nóng các chất dễ cháy, dễ bay hơi thì không an toàn. - Trong khói luôn có một lượng ôxy dư, khi tiếp xúc với thiết bị sẽ ôxy hoá kim loại làm hỏng thiết bị. - Hiệu suất sử dụng thiết bị thấp, lớn nhất 30%.  Đun nóng bằng dòng điện Ưu điểm: - Có thể tạo được nhiệt độ cao (tới 3200oC) mà các phương pháp khác không thực hiện được - Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng và chính xác - Hiệu suất rất cao, có thể đạt tới 95% điện tiêu hao. Nhược điểm: - Thiết bị phức tạp. - Giá thành cao.  Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt: Khi cần đun nóng ở nhiệt độ cao hơn 180oC, dùng các chất tải nhiệt đặc biệt: - Nước quá nhiệt - Chất lỏng có nhiệt độ sôi cao ở áp suất bão hoà nhỏ, không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao - Các chất tải nhiệt hữu cơ thường dùng là diphenyl, etediphenyl, hỗn hợp diphenyl và etediphenyl, hỗn hợp các muối, các kim loại nóng chảy.v.v. 17
  21. Phương thức: Dùng khói lò hoặc dòng điện để đun các chất tải nhiệt, sau đó các chất tải nhiệt này ở trạng thái lỏng hoặc hơi truyền nhiệt cho các vật liệu cần đun nóng.  Đun nóng bằng khí thải và chất lỏng thải Đun nóng tiết kiệm, tận dụng nhiệt trong khí thải hoặc chất lỏng thải ra từ các nhà máy, xí nghiệp mà nhiệt độ của chúng còn cao. 2.1.2. Đun nóng bằng hơi nước bão hòa  Đun nóng bằng đun nóng bằng hơi nước trực tiếp - Thiết bị loại sục: Cho hơi nước sục thẳng vào trong lòng chất lỏng cần đun nóng. Hơi nước ngưng tụ và cấp ẩn nhiệt cho chất lỏng, nước ngưng tạo thành lại trộn lẫn với chất lỏng. - Thiết bị loại sủi bọt: Vừa đun nóng vừa khấy trộn chất lỏng - Để tránh tiếng động, người ta dùng thiết bị đun nóng không có tiếng động. Loại này có lắp thêm một cái loa 2 ở đầu ống dẫn hơi. Nhược điểm của phương pháp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp: - Đưa thêm một lượng nước ngưng tụ vào trong chất lỏng cần đun nóng. - Chỉ dùng trong các trường hợp cho phép pha loãng chất lỏng và không có phản ứng xảy ra giữa chất lỏng và nước.  Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp - Dùng để đun nóng các chất lỏng không được phép trộn lẫn với nước, không được phép pha loãng v .v. - Giữa hơi và chất lỏng có một tường ngăn cách. Nhiệt từ hơi truyền qua tường để cấp cho chất lỏng. 18
  22. Thiết bị: - Thiết bị có vỏ bọc ngoài. - Loại ống xoắn. - Loại ống chùm. Hơi nước sau khi cấp nhiệt cho chất lỏng qua tường thì ngưng tụ lại thành nước ngưng, chảy ra khỏi thiết bị theo một đường ống riêng. Thường dùng hơi nước bão hoà để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và ẩn 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. Tháo nước ngưng Khi đun nóng bằng hơi nước gián tiếp thì cần phải tháo nước ngưng ra một cách liên tục để thiết bị trao đổi nhiệt làm việc bình thường. - Yêu cầu đối với thiết bị tháo nước: chỉ cho nước ngưng ra mà không cho hơi ra khỏi thiết bị - Thường dùng các loại thiết bị riêng cho việc tháo nước ngưng:  Thiết bị tháo nước ngưng - Thiết bị tháo nước ngưng làm việc liên tục - Thiết bị tháo nước ngưng làm việc gián đoạn - Thiết bị tháo nước ngưng làm việc ở áp suất cao - Thiết bị tháo nước ngưng làm việc ở áp suất thấp. Thiết bị tháo nước ngưng loại phao kín. Khi đun nóng bằng hơi nước gián tiếp thì cần phải tháo nước ngưng ra một cách liên tục để thiết bị trao đổi nhiệt làm việc bình thường. Được dùng trong trường hợp áp suất hơi trong thiết bị lớn hơn 10 at. Nếu như lượng nước ngưng từ thiết bị trao đổi nhiệt chảy ra với lưu lượng không đổi thì phao chỉ nằm tại một vị trí và liên tục tháo nước ngưng mà không cho hơi đi ra. Thiết bị tháo nước ngưng loại phao hở - Làm việc gián đoạn. - Ưu điểm: theo quá trình thải nước gián đoạn có thể kiểm tra sự làm việc của thiết bị, những phần chịu lực ma sát của nó không va chạm vào vỏ .v. v. . 19
  23. Rông đen đỡ Khi lưu lượng hơi trong thiết bị trao đổi nhiệt ít thay đổi, tức là lượng nước ngưng tháo ra cũng ít thay đổi, và áp suất hơi vào khoảng dưới 7 at, thì người ta dùng thiết bị tháo nước ngưng loại rông đen đỡ. Khi làm việc, nước ngưng sẽ chui qua các lỗ ra ngoài. Có một lượng hơi nào đấy cũng lọt qua lỗ cùng với nước ngưng, nhưng áp suất không lớn lắm nên lượng hơi mất không đáng kể. Sơ đồ thiết bị tháo nước ngưng: Thiết bị tháo nước ngưng đặt thấp hơn cửa tháo nước ngưng ở thiết bị trao đổi nhiệt 1 (ít nhất cũng phải thấp hơn 0,5m) và có lắp thêm một đường ống phụ để tháo nước ngưng khi thiết bị 2 cần sửa chữa đảm bảo cho thiết bị làm việc liên tục. 2.1.3. Đun nóng bằng khói lò Nguyên tắc: - Khói lò được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trong lò đốt 1. - Sau đó đi vào phòng 2, ở phòng này cho thêm không khí lạnh vào để điều chỉnh nhiệt độ của khói lò. Lượng không khí cho vào phụ thuộc nhiệt độ cần điều chỉnh để đun nóng. - Để giảm lượng ôxy trong khói lò, có thể dùng khí thải (khói lò sau khi đã đun nóng) để trộn. 2.1.4. Đun nóng bằng dòng điện Biến điện năng thành nhiệt năng để đun nóng vật liệu Lò hồ quang: điện năng tạo thành tia lửa điện đốt nóng môi trường. - Tia hồ quang có thể tập trung công suất lớn trong thể tích nhỏ, do đó đạt được nhiệt độ rất cao (từ 1500oC đến 2000oC và cao hơn nữa) - Độ giảm nhiệt độ rất lớn, do đó đun nóng không được đồng đều và khó điều chỉnh nhiệt độ 20
  24. - Lò hồ quang thường dùng làm chảy các kim loại, sản suất cacbua canxi, phốt pho Lò điện trở: - Lò điện trở trực tiếp: vật liệu đun nóng được nối trực tiếp với mạch điện hoặc qua máy biến thế cho dòng điện vào để đốt nóng (lò thuỷ tinh, lò sứ ) - Lò điện trở gián tiếp, trong đó nhiệt được toả ra do dòng điện đun nóng dây điện trở rồi truyền nhiệt cho vật liệu bằng bức xạ, dẫn nhiệt hoặc đối lưu - Lò điện cảm ứng vật liệu được đun nóng đặt trong từ trường xoay chiều hoặc điện trường xoay chiều, khi đó trong vật liệu sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng (dòng xoay chiều) để đốt nóng vật liệu i) Lò điện trở - Đun nóng được đồng đều và điều chỉnh nhiệt độ rất chính xác nhờ thay đổi điện thế của dòng điện vào hoặc đóng mở dòng điện đi vào từng phần của điện trở. - Nhiệt độ có thể đạt tới 1000÷1100°C. Các phần chính của lò gồm: - Khung lò - Vật liệu chịu lửa và lớp lót cách nhiệt - Dây điện trở - Điện trở làm bằng dây hoặc tấm niken- crôm: (hợp kim gồm 20% Cr, 30-80% Ni,0,5-50% Fe), hoặc hợp kim crôm-sắt- nhôm. ii) Lò điện cảm ứng - Thiết bị đun nóng được quấn xung quanh (không tiếp xúc với thiết bị) bằng dây xoắn ốc, khi cho dòng điện xoay chiều qua dây dẫn, trên vỏ thiết bị sẽ xuất hiện dòng điện xoáy đun nóng thiết bị. - Dây dẫn thường được làm bằng vật liệu có điện trở nhỏ như đồng hoặc nhôm. 21
  25. iii) Đun nóng bằng dòng điện có tần số cao - Dùng đun nóng các chất điện môi hay các chất bán dẫn (hoặc các chát dẻo, cao su, gỗ .) - Vật liệu đun nóng đặt vào giữa hai bản của tụ điện, dưới tác dụng của điện trường xoay chiều các phân tử có cực của chất điện môi sẽ dao động tương ứng với tần số của dòng điện, khi dao động như vậy các phần tử sẽ tiêu hao một phần điện năng để khắc phục lực ma sát, phần điện năng này biến thành nhiệt năng để đốt nóng vật liệu. - Lượng nhiệt toả ra tỷ lệ bậc một với tần số và tỷ lệ bậc hai với điện thế của dòng điện. - Có thể điều chỉnh nhiệt độ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện. - Dòng điện có tần số cao: từ 0,5.108Hz -100.108 Hz. - Ưu điểm: là nhiệt toả ra trên toàn bộ bề dày của vật liệu đun nóng, đảm bảo đun nóng được đồng đều, nhanh, có thể điều chỉnh được và có thể hoàn toàn tự động. 2.1.5. Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt Thường được sử dụng trong trường hợp : - Đun nóng ở nhiệt độ cao. - Đun nóng đồng đều. Chất tải nhiệt: các chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hoặc hơi của nó làm chất tải nhiệt trung gian, các chất này lấy nhiệt từ khói lò hoặc dòng điện rồi truyền cho thiết bị cần đun nóng. Quá trình tuần hoàn chất tải nhiệt có thể dùng bơm hoặc tuần hoàn tự nhiên Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt cho phép điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng Nhiệt độ lớn nhất để đun nóng phụ thuộc vào tính chất của chất tải nhiệt: có thể từ 360 đến trên 500°C. i) Đun nóng bằng dầu khoáng. Sử dụng khi: - Cần đun nóng đồng đều - Tránh quá nhiệt cho sản phẩm Nhược điểm: - Hiệu số nhiệt độ không lớn (khoảng từ 15 đến 20°C) nên lượng nhiệt truyền qua không được lớn và khó điều chỉnh nhiệt độ 22
  26. - Nhiệt độ giới hạn đun nóng của dầu thấp (~ 250°C) vì nhiệt độ cháy của dầu không vượt qua 300- 310°C. ii) Đun nóng bằng hơi nước quá nhiệt Hơi nước quá nhiệt: Nhiệt độ tới hạn của nước là 374°C tương ứng với áp suất 225 at. Nước ở gần nhiệt độ và áp suất tới hạn là một chất tải nhiệt phổ biến. Nước được đun nóng bằng khói lò trong thiết bị gia nhiệt ở lò đốt. Khối lượng riêng của nước sẽ giảm và được đẩy lên trên vào ống xoắn để đun nóng. Sau khi đun nóng xong nước sẽ mát đi, khối lượng riêng tăng lên và đi về lò đốt. Cường độ tuần hoàn phụ thuộc vào độ giảm nhiệt độ của nước trong ống xoắn và hiệu số chiều cao của thiết bị truyền nhiệt ở lò đốt và thiết bị đun nóng (0,1÷ 0,2 m/s). Đun nóng bằng nước quá nhiệt có thể thực hiện được ở nhiệt độ tới hạn nếu đuổi hết không khí, khí không ngưng và phải khắc phục hiện tượng đóng cặn và ăn mòn ống để làm việc an toàn ở áp suất 225 at. iii) Đun nóng bằng chất tải nhiệt hữu cơ - Nhiệt độ sôi cao. - Áp suất hơi bão hoà tương đối nhỏ: naphtalin, ete diphenyl, và hỗn hợp đẳng phí của chúng. Chất được dùng phổ biến nhất là diphenyl và etediphenyl, hỗn hợp này gồm 26,5% diphenyl (C6H5- C6H5) và 73,5% etediphenyl (C6H5 - O - C6H5), nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 258oC và đóng rắn ở 12,3oC, áp suất hơi bão hoà riêng phần ở 200oC là 0,25at còn ở 350oC là 5,3 at (áp suất của hơi nước ứng với nhiệt độ đó là ~16 at và ~169 at) Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp ở 350oC là 217.103 J/kg còn của hơi nước là 114.104 J/kg nghĩa là nhỏ hơn 4,5 lần. Hỗn hơp diphenyl tuy cháy được nhưng thực tế lại rất an toàn, độ độc không đáng kể, nó có thể làm lâu dài ở 380oC mà không bị phân huỷ. - Sản phẩm được đun nóng đồng đều hơn. iv) Đun nóng bằng hỗn hợp hơi nóng chảy - Đun nóng ở nhiệt độ cao hơn 380°C - Hỗn hợp này ứng dụng để đun nóng từ 140°C đến 510°C không có áp suất dư. - Ví dụ: một hỗn hợp ba muối gồm có: 10% NaNO2, 7% NaNO3, 83% KNO3 (theo khối lượng). Nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp là 142°C, giới hạn nhiệt độ sử dụng là 530°C. Đun nóng bằng hỗn hợp muối nóng chảy thường dùng làm chất tải nhiệt trong thiết bị xúc tác và trong trường hợp đun nóng bằng dầu không đạt yêu cầu. 23
  27. v) Đun nóng bằng thủy ngân và kim loại lỏng - Thuỷ ngân là chất tải nhiệt thường được dùng trong một số thiết bị có cường độ nhiệt lớn. - Nhiệt độ sôi cao (327°C), áp suất hơi bão hoà nhỏ, không cháy. ẩn nhiệt ngưng tụ của nó tuy nhỏ nhưng khối lượng riêng lớn nên lượng nhiệt toả ra theo một đơn vị thể tích không nhỏ hơn nước mấy. - Nhược điểm: + Thuỷ ngân độc nên hệ thống đun nóng cần phải làm việc ở điều kiện không có áp suất dư và phải có cơ cấu vít kín tốt. + Thủy ngân không thấm ướt bề mặt nên có thể dẫn tới quá nhiệt từng vùng trên thành thiết bị. - Ngoài thuỷ ngân, còn dùng chì ( điểm nóng chảy 327°C). - Hợp kim chì-ăngtimoan và các chất khác làm chất tải nhiệt ở nhiệt độ cao. 2.2. Làm mát - ngưng tụ 2.2.1. Làm mát Làm mát cũng là một quá trình truyền nhiệt. Chất tải nhiệt được dùng phổ biến trong làm mát là nước và không khí. Làm mát trực tiếp - Nước lạnh hoặc nước đá tự bay hơi. - Làm mát bằng không khí. Làm mát gián tiếp - Dùng những thiết bị trao đổi nhiệt để làm mát. - Quá trình truyền nhiệt giữa các chất cần làm mát và các chất làm mát được tiến hành qua tường ngăn - Tác nhân làm mát được dùng nhiều nhất là nước và không khí. - Nếu nhiệt độ làm mát cần phải đạt thấp hơn 15 ÷ 30oC thì dùng tác nhân làm mát có nhiệt độ thấp. - Nếu dùng nước để làm mát thì nên lấy toC < 40 ÷ 50oC để ngăn ngừa hiện tượng kết tủa các muối hoà tan trong nước trên bề mặt trao đổi nhiệt 2.2.2. Ngưng tụ Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng bằng hai cách: - Làm mát hơi (hoặc khí). 24
  28. - Nén và làm mát hơi (khí) đồng thời. Ngưng tụ trực tiếp: Ngưng tụ trực tiếp, hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp, tức là quá trình tiến hành bằng cách cho hơi và nước tiếp xúc trực tiếp với nhau. Hơi cầp ẩn nhiệt ngưng tụ cho nước và ngưng tụ lại, nước lấy nhiệt của hơi và nóng lên, cuối cùng tạo thành một hỗn hợp chất lỏng đã ngưng tụ và nước. Ngưng tụ gián tiếp: Ngưng tụ gián tiếp, hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt, tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa hơi và nước. Hơi được ngưng tụ lại trên bề mặt trao đổi nhiệt. i) Ngưng tụ gián tiếp Trong các thiết bị ngưng tụ gián tiếp, thường 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 lưu thể. - Hơi đi từ trên xuống để chất lỏng đã ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng. - Các thiết bị đun nóng gián tiếp đều có thể dùng cho ngưng tụ. Nếu như hơi ngưng tụ là hơi quá nhiệt và chất lỏng đã ngưng tụ cần làm mát đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hoà thì tính toán bề mặt trao đổi nhiệt phức tạp hơn. Khi đó phải chia ra làm ba giai đoạn tính toán như sau: Giai đoạn 1: làm mát hơi quá nhiệt đến nhiệt độ bão hoà. Giai đoạn 2: ngưng tụ hơi bão hoà ở nhiệt độ không đổi. Giai đoạn 3: làm mát chất lỏng đã ngưng tụ đến nhiệt độ cần thiết. Khi ngưng tụ hơi bão hoà và không làm mát chất lỏng đã ngưng tụ thì giai đoạn 1 và 3 không có, chỉ có giai đoạn 2 ii) Ngưng tụ trực tiếp Nguyên tắc làm việc: phun nước nước lạnh vào trong hơi, hơi toả ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại. - Thiết bị ngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có gía trị hoặc không tan trong nước (chất lỏng đã ngưng tụ sẽ trộn lẫn với nước làm mát). - Khi làm việc, giữa hơi và nước cần phải có bề mặt tiếp xúc lớn thì hiệu quả ngưng tụ mới cao phun nước qua những vòi phun hoặc chảy qua nhiều ngăn nằm ngang có lỗ nhỏ 25
  29. - Thiết bị ngưng tụ trực tiếp ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học. Ưu điểm: - Năng suất cao - Cấu tạo đơn giản - Dễ dàng chống ăn mòn Chia ra hai loại: thiết bị loại khô và loại ướt. - Trong thiết bị loại khô, nước ngưng và nước làm mát được dẫn đi chung một đường, còn khí không ngưng được hút ra theo một đường khác. - Trong thiết bị loại ướt: chất lỏng ngưng tụ, nước làm mát và khí không ngưng được dẫn ra cùng một đường bằng một bơm “không khí - ướt”  Thiết bị ngưng tụ loại khô Thiết bị ngưng tụ xuôi chiều loại thấp Nguyên tắc làm việc: hơi đi vào thiết bị từ trên xuống. Nước ở trong bầu nước quanh thân thiết bị được hút vào thân là do trong thiết bị có chân không. Nước bị hút ra qua vòi 2, vào thiết bị ở dạng hạt mù, tiếp xúc với hơi từ trên xuống. Nước và chất lỏng đã ngưng tụ được bơm ra ngoài bằng bơm ly tâm 3. Khí không ngưng bị bơm tia 4 hút ra theo một đường khác. Khi độ chân không trong thiết bị quá cao, bơm ly tâm 3 không làm việc được, hỗn hợp hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng tụ không tháo ra ngoài được tích tụ lại và dâng dần lên trong thiết bị, do đó phao 5 bị nâng lên và van 6 mở ra, không khí bên ngoài tràn vào làm giảm độ chân không trong thiết bị, tạo điều kiện cho bơm ly tâm tiếp tục trở lại làm việc bình thường, khi đó mực nước hạ xuống, phao 5 trở về vị trí cũ, van 6 lại đóng lại. Thiết bị ngưng tụ xuôi chiều loại cao Ưu điểm là nước tự chảy ra được, không cần bơm nên tốn ít năng lượng, năng suất lớn. 26
  30. Thường được dùng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, đặt ở vị trí cuối hệ thống vì các nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không  Thiết bị ngưng tụ loại ướt Thiết bị ngưng tụ loại ướt, xuôi chiều: hơi đi từ trên xuống, nước được phun ra từ vòi hoa sen từ trên xuống cùng chiều với hơi chảy qua các ngăn. Chất lỏng đã ngưng tụ, nước và khí không ngưng được hút ra ở phía dưới thiết bị bằng bơm không khí ướt Chỉ dùng trong trường hợp không đặt được ống baromet. 2.2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt: các thiết bị dùng để thực hiện quá trình truyền nhiệt gọi là thiết bị trao đổi nhiệt Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn và tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau. Thoạt tiên cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên đến một nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh. Loại trực tiếp (hỗn hợp):hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau. Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách (bề mặt truyền nhiệt). Có các loại sau: Loại có vỏ bọc, Loại ống, Loại tấm, Loại xoắn ốc, Loại ống gân. o Loại vỏ bọc - Truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị. - Sử dụng khi đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng. - Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị. - Bề mặt truyền nhiệt không lớn quá 10m2, và áp suất làm việc của hơi đốt không quá 10 at. - Đặt cánh khuấy để tăng tốc độ tuần hoàn. - Khi cần làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần phải có cấu tạo đặc biệt (áp suất làm việc ở đây có thể đến 75 at). 27
  31. o Loại ống  Ông xoắn ruột gà - Cấu tạo gồm các đoạn ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gấp khúc., hoặc các ống uốn cong theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà. Kh làm việc một chất tải đi trong ống, còn một chất tải nhiệt khác đi ngoài ống. - Hệ số cấp nhiệt phía trong ống xoắn thường lớn hơn ống thẳng một ít. - Ưu điểm là thiết kế đơn giản, có thể làm bằng những vật liệu chống ăn mòn, dễ kiếm tra và sửa chữa. - Nhược điểm cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trở lực thuỷ lực lớn hơn ống thẳng - Chất lỏng cho vào từ dưới lên để ống xoắn luôn chứa đầy còn hơi thì cho từ trên xuống để tránh va đập thuỷ lực.  Ống tưới - Dùng để làm mát và ngưng tụ, chất lỏng phun ở ngoài đường ống là nước lạnh - Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên xuống dưới ống rồi vào thùng chứa. - Khi trao đổi nhiệt sẽ có một phần nước bay hơi (khoảng 1 - 2 % lượng nước đưa vào tưới). Khi bay hơi như vậy nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ở trong ống, do đó lượng nước dùng làm mát ở đây ít hơn so với các loại thiết bị làm mát khác.  Ống lồng ống - Cấu tạo: gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau. - Chất tải nhiệt l đi trong ống từ dưới lên còn chất tải nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên xuống. - Khi năng suất lớn, đặt nhiều dãy làm việc song song. - Ưu điểm: 28
  32. + Hệ số truyền nhiệt lớn vì có thể tạo ra tốc độ lớn cho cả hai chất tải nhiệt. + Cấu tạo độ đơn giản. - Nhược điểm: cồng kềnh, giá thành cao, khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống.  Loại ống chùm - Cấu tạo: gồm có vỏ hình trụ 1 hai đầu hàn hai lưới ống 2, các ống truyền nhiệt 3 được ghép chắc, kín vào lưới ống. Đáy và nắp nối với vỏ bằng mặt bích có bulông ghép chắc. Trên vỏ, nắp và đáy có cửa ( ống nối ) để dẫn chất tải nhiệt. Thiết bị được cài đặt trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ. - Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để ghép kín. - Ưu điểm: Kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt. o Loại tấm - Bề mặt truyền nhiệt làm bằng các tấm kim loại, các khe giữa các tấm tạo thành hai hệ thống không thông với nhau. - Được dùng để trao đổi nhiệt ở áp suất thường, chủ yếu là để đốt nóng không khí bằng khói lò. - Dùng để trao đổi nhiệt giữa các khí trong hệ thống lạnh thâm độ - Ưu diểm: gọn, tốc độ chất tải nhiệt hai phía đều lớn. - Nhược điểm: không làm việc được ở áp suất cao, khó ghép kín. 29
  33. o Loại xoắn ốc - Loại này bề mặt truyền nhiệt làm bằng những tấm kim loại cuốn theo dạng xoắn ốc .Thiết bị gồm hai tấm kim loại 1 và 2 , đầu trong của hai tấm kim loại này được hàn vào tấm ngăn 3, giữa hai tấm 1 và 2 tạo thành một khe có tiết diện hình chữ nhật, chất tải nhiệt sẽ đi trong các khe đó. Hai đầu thiết bị được ghép kín bằng nắp 4 - Ưu diểm: gọn và có tốc độ lớn, hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược chiều nhau hoàn toàn, trở lực thuỷ lực nhỏ hơn trong ống chùm - Nhược điểm: chế tạo và sửa chữa phức tạp, không làm việc được ở áp suất cao trên 6 at (cấu tạo đặc biệt có thể làm việc được 10 at) o Loại ống có gân - Khi truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía rất nhỏ so với phía kia thì ta cần tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có α nhỏ để tăng hiệu quả truyền nhiệt bằng cách thêm các gân lên bề mặt truyền nhiệt - Cách bố trí gân cũng phải chú ý chiều chuyển động của khí để khí có thể đi sâu vào giữa các gân, gân phải làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt. - Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân thường có hai kiểu: gân dọc và gân ngang. Khi truyền nhiệt giữa hai chất khí, nghĩa là α1 và α2 đều nhỏ, cấu tạo gân ở cả hai bên, trường hợp này gân thường có dạng hình kim gọi là thiết bị truyền nhiệt hình kim. 30
  34. 3. Cô đặc 3.1 Khái niệm chung Cô đặc: quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan không hoặc khó bay hơi trong dung môi bay hơi. - Để tách một phần dung môi, trong cô đặc, phải thực hiện ở nhiệt độ sôi. Hơi do dung dịch sôi bay hơi ra gọi là hơi thứ. - Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở chân không, ở áp suất cao hoặc áp suất khí quyển. - Cô đặc chân không hoặc áp suất khí quyển tiến hành trong thiết bị một nồi. - Cô đặc nhiều nồi, hơi thứ của nồi trước dùng làm hơi đốt cho nồi sau. áp suất làm việc của nồi sau phải nhỏ hơn của nồi trước để tạo ra hiệu số nhiệt độ giữa hơi thứ nồi trước và nhiệt độ sôi của nồi sau, nghĩa là thiết lập động lực của quá trình. o Nhiệt hòa tan: - Quá trình thu nhiệt của dung môi để phá vỡ mạng lưới tinh thể của chất tan - Quá trình hydrat hóa /Solvat hóa là quá trình tỏa nhiệt - Nhiệt hòa tan là tổng hợp của hai loại nhiệt trên o Nhiệt độ sôi của dung dịch: - Phụ thuộc: tính chất dung môi, chất tan, nồng độ chất tan - Nhiệt độ sôi dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất cùng một áp suất 3.2. Cô đặc một nồi Cô đặc một nồi chỉ dùng khi năng suất thấp và khi không dùng hơi thứ làm chất tải nhiệt để đun nóng. Sơ đồ cô đặc một nồi: 31
  35. 3.3. Cô đặc nhiều nồi Cô đặc nhiều nồi quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc: Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ ba v. v., hơi thứ của nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dung môi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên. Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi: có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi (phải có chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi). Thông thường, nồi đầu làm việc ở áp suất dư, nồi cuối cùng làm việc ở áp suất chân không. Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi o Sơ đồ cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Được dùng phổ biến Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau,dấn dến hiện tượng tự bốc hơi Khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần phải tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch. Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. o Sơ đồ cô đặc nhiều nồi ngược chiều: Hơi di chuyển giống như trường hợp xuôi chiều Dung dịch đi vào nồi 3 và sản phẩm ra khỏi ở nồi 1 (áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch không tự chảy từ nồi nọ sang nồi kia được mà phải dùng bơm để vận chuyển). 32
  36. Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào ở nồi đầu, ở đấy nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng nhiều (hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm nhiều) Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn khi cô đặc xuôi chiều, do đó lượng nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn o Sơ đồ cô đặc nhiều nồi song song: Dung dịch đầu vào đồng thời ở các nồi. Sản phẩm cũng đồng thời lấy ra ở mỗi nồi. Chỉ dùng khi yêu cầu nồng độ của dung dịch không cao lắm, hoặc khi dung dịch cô đặc có kết tinh, vì khi đó dung dịch c kết tinh di chuyển từ nồi n sang nồi kia dễ làm tắc ống 3.4. Cấu tạo thiết bị cô đặc Các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, gồm hai phần chính: - Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch - Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi (khác với thiết bị chỉ có phòng đốt). Có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi - lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc ở trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo với yêu cầu đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa, lắp ráp, các chi tiết phải quy chuẩn hoá, giá thành rẻ. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị: chế độ làm việc ổn định, ít bám cặn, dễ làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra, cường độ truyền nhiệt lớn (hệ số truyền nhiệt K lớn). o Phân loại thiết bị: - Theo sự 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 bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt. - Theo tính chất tuần hoàn của dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức. 33
  37. i) Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn ở tâm Cấu tạo: Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn. Dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Nguyên tắc làm việc: Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn,vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi - lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng giảm. Tốc độ tuần hoàn thường không quá 1,5 m/s. Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay ống tuần hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn. Phía trên phòng đốt là phòng bốc hơi trong đó có bộ phận tách bọt dùng để tách các giọt lỏng do hơi thứ mang theo. Ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch, Nhược điểm tốc độ tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng ii) Thiết bị cô đặc phòng đốt treo Cấu tạo: Phòng đốt đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò ống tuần hoàn, hơi đốt đi vào phòng theo ống.Phòng đốt có thể được lấy ra ngoài khi cần sửa chữa hoặc làm sạch. Ưu điểm: tốc độ tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng. Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, kích thước lớn do có khoảng trống hình vành khăn. 34
  38. iii) Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài  Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng Nguyên tắc làm việc: Dung dịch đi vào phòng đốt được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng đi qua ống vào phòng bốc hơi Hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt theo ống tuần hoàn. Các ống truyền nhiệt có thể làm dài (đến 7m) nên cường độ tuần hoàn lớn, do đó cường độ bốc hơi lớn. Đôi khi ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sửa chữa để đảm bảo quá trình làm việc liên tục.  Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài nằm ngang Nguyên tắc làm việc: Phòng đốt là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U. Dung dịch ở nhánh dưới của ống truyền nhiệt chuyển động từ trái qua phải,còn ở nhánh trên từ phải qua trái. Phòng đốt được đặt trên một chiếc xe nhỏ và dễ dàng tách khỏi phòng bốc hơi để làm sạch và sửa chữa. Ưu điểm: cường độ tuần hoàn của dung dịch lớn hơn loại ống tuần hoàn ở giữa và phòng đốt treo. Dễ dàng tháo phòng đốt để sửa chữa và làm sạch. iv) Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức Nguyên tắc làm việc: Dung dịch dưa vào phòng đốt bằng bơm tuần hoàn. Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của phòng bốc hơi, còn phần chính chảy về ống do bơm tuần hoàn hút và trộn lẫn với dung dịch đầu đi vào phòng đốt. Tốc độ của dung dịch ttrong ống truyền nhiệt bằng 1,5 đến 3,5 m/s, do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần. Có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ có ích nhỏ (3 - 50C) vì cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ mà phụ thuộc vào năng suất của bơm. 35
  39. Ưu điểm: Tránh được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt. Có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện. Nhược điểm: Tốn năng lượng để bơm. Thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn. Tuần hoàn cưỡng bức có thể thực hiện ở những thiết bị khác nhau (phòng đốt ngoài, phòng đốt treo). v) Thiết bị cô đặc loại màng Nguyên tắc làm việc: Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt ở dạng màng mỏng từ dưới lên trên. sPhòng đốt là một thiết bị truyền nhiệt ống chùm dài 6 ÷ 9 m, hơi đốt đi vào phía ngoài ống, dung dịch vào ở đáy thiết bị. Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện của ống đi từ dưới lên với tốc độ rất lớn (~20 m/s) kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi. Nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độ cần thiết Ưu điểm: Thiết bị cô đặc loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn khi có mức chất lỏng thích hợp. Nếu mức chất lỏng cao quá, hệ số truyền nhiệt sẽ giảm vì tốc độ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp bề mặt truyền nhiệt của ống ở phía trên sẽ bị khô (vì dung dịch bốc hơi hết), mức chất lỏng thích hợp xác định bằng thực nghiệm. Áp suất thuỷ tĩnh nhỏ, do đó tổn thất thuỷ tĩnh ít. Nhược điểm: Khó làm sạch vì ống dài. Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi. Không thích hợp đối với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh. 36
  40. vi) Thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng Cấu tạo và nguyên tắc làm việc: Phòng đốt, phía trên phòng đốt là phòng sôi cao gần 3 mét. Phần trên phòng sôi đặt những tấm ngăn hình tròn đồng tâm tạo thành những khe hình vành khăn, từ phòng sôi hỗn hợp hơi - lỏng đi lên phòng bốc hơi. Hơi thứ đi lên phía trên ra ngoài. Dung dịch còn lại đi xuống phòng đốt qua ống tuần hoàn; phần kết tinh lắng xuống đáy. Phòng đốt chỉ có nhiệm vụ đun nóng dung dịch, ở đây dung dịch chưa sôi vì áp suất thuỷ tĩnh lớn. Khi đi vào các tấm ngăn, áp suất thuỷ tĩnh giảm đi, dung dịch sẽ sôi. Tác dụng của các tấm ngăn này làm cho quá trình sôi ổn định, không cản trở sự tuần hoàn ở khu vực sôi. Ưu điểm: Loại thiết bị này có tốc độ tuần hoàn lớn (đến 3 m/s). Vì dung dịch không sôi trong ống truyền nhiệt nên ít bị bám cặn, thích hợp với các dung dịch đậm đặc, kết tinh và dung dịch có độ nhớt lớn. vii) Thiết bị cô đặc loại rôto Nguyên tắc làm việc: Dung dịch đầu đưa vào ở phần trên thiết bị,do cánh quay, dưới tác dụng của lực ly tâm làm văng chất lỏng ra thành thiết bị và chuyển động thành màng mỏng với chế độ chuyển động xoáy. Màng mỏng tiếp xúc với thiết bị được đun nóng bởi bao hơi. Hơi thứ bay ra được đưa lên phía trên rồi ra ngoài. Sản phẩm được tháo ra từ đáy thiết bị. Ưu điểm: cường độ truyền nhiệt lớn, dung dịch bị hơi thứ kéo theo nhỏ, dùng để cô đặc loại dung dịch dạng keo, đặc sệt. Nhược điểm: chế tạo và gia công phức tạp, giá thành cao do cần bộ phận chuyển động quay. 37
  41. 4. Quá trình lạnh 4.1. Lạnh đông 4.1.1. Khái niệm cơ bản Quá trình lạnh là quá trình thu nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp rồi truyền cho vật có nhiệt độ cao hơn. Cần phải tiêu tốn công bên ngoài. Kỹ thuật làm lạnh thường được dùng trong hấp thụ, sấy thăng hoa, tách khí, bảo quản thực phẩm Phân loại quá trình lạnh: - Lành lạnh ôn độ/lạnh đông: từ nhiệt độ thường đến -100°C - Làm lạnh dưới -100°C - Lạnh thâm độ: từ -100°C đến -231°C - Lạnh băng thâm độ: 40 đến 0,3 K - Siêu lạnh thâm độ: đến 0,00002 K 4.1.2. Cơ sở nhiệt động của quá trình lạnh đông 1 - 2: nén đoạn nhiệt hơi tác nhân lạnh nhiệt độ hơi thay đổi từ T0 – T, tiêu hao công L1. 2 - 3: ngưng tụ đẳng nhiệt tác nhân lạnh, nhiệt lượng Q tỏa ra môi trườn xung quanh. 3 - 4: giãn đoạn nhiệt lỏng tác nhân lạnh, nhiệt độ cuối là T0, sinh công L0. 4 - 1: bay hơi lỏng tác nhân lạnh, thu nhiệt Q0 của nguồn lạnh. Tác nhân lạnh thu nhiệt của nguồn lạnh, entropi giảm đi một lượng: Q0 /T0 Tác nhân lạnh ngưng tụ tỏa nhiệt cho nguồn nóng, Entropi của nguồn nóng tăng lên một lượng: Q0 퐿0 + L1 0 Công tiêu hao cần thiết cho máy lạnh: − 0 L = Q0( ) 0 38
  42. Lượng nhiệt Q0 do tác nhân lạnh thu vào gọi là năng suất của máy lạnh. Biểu đồ T-S của quá trình làm lạnh Năng suất lạnh biểu diễn bởi diện tích 1- 4 - 5 – 6. Lượng nhiệt do tác nhân lạnh ngưng tụ tỏa ra cho nguồn nóng ở nhiệt độ T biểu diễn bởi diện tích 2- 3 - 5 - 6 Hiệu số giữa hai diện tích là công tiêu hao L biểu diễn bởi diện tích 1-2-3-4 Hệ số lạnh (hiệu quả làm việc của máy lạnh). 푄 푄 (푆 − 푆 )  = 0 = 0 = 0 1 2 = 0 퐿 푄− 푄0 (푆1− 푆2)− 0(푆1− 푆2) − 0 4.1.3. Chu trình lý tưởng của máy lạnh nén hơi. Chu trình Carno nghịch được coi là chu trình lý tưởng cho máy lạnh nén hơi. Máy nén hút hơi ẩm tử thiết bị bay hơi có nhiệt độ T0 và áp suất P0 Hơi được nén tới áp suất P và nhiệt độ T. Hơi tác nhân lạnh được đưa vào thiết bị ngưng tụ, ngưng tụ thành lỏng. Tác nhân lạnh sau ngưng tụ được đưa vào máy giãn đến ap suất P0, nhiệt độ T0 Tác nhân lạnh ra khỏi máy giãn đi vào thiết bị bay hơi, hút vào máy nén và lặp lại từ đầu. 푄 푄 푖 − 푖 푖 − 푖  = 0 = 0 = 1 4 = 1 3 퐿 푄− 푄0 푖2− 푖1 푖2− 푖1 4.1.4. Chu trình thực của máy lạnh Chu trình thực khác với chu trình lý tưởng - Thay máy giãn bằng van tiết lưu - Hơi tác nhân lạnh được nén ở trạng thái bão hòa chứ (1’) không phải ở vùng hơi ẩm 39
  43. - Nén quá nhiệt : 1’-2’ - Làm lạnh hơi quá nhanh - Ngưng tụ : 2-3 - Làm quá lạnh : 3-3’ - Giãn qua van tiết lưu 3’-4’’’ - Hệ số lạnh: 푄 푖 − 푖 " 푖 − 푖  = 0 = 1′ 4 = 1′ 3′ 퐿 푖2′− 푖1′ 푖2′− 푖1′ - Năng suất lạnh: Q0 = G(i1 – i3’), W - Công tiêu hao lý thuyết: L = Q0 – Q = G(i2’ – i1’), W. - Lượng nhiệt tác nhân lạnh cấp cho nguồn nóng: Q = G(i2’ + i3’), W. - Năng suất lạnh: Q0 = Vnqv = Vn 1(i1 – i3’), W. 퐿 푄 - Công suất máy lạnh: N = = 0 kW 1000 1000 - Hiệu suất chung của máy lạnh:  = ickcddc 4.1.5.Tác nhân lạnh Tác nhân lạnh ảnh hưởng đến: kích thước máy lạnh, vật liệu chế tạo, áp suất làm việc. Các yêu cầu với tác nhân lạnh: - Nhiệt độ tới hạn lớn: đảm bảo có thể dùng nước hoặc không khí để làm lạnh hơi ngưng tụ. - Nhiệt bay hơi lớn: lượng tác nhân lạnh dũng ít. - Thể tích hơi riêng phần nhỏ: kích thước máy lạnh nhỏ. - Áp suất bay hơi lớn hơn áp suất khí quyển. - Không tạo thành hợp chất với dầu bôi trơn máy. - Không cháy nổ, không độc hại, rẻ tiền. i) Amoniac. Ưu điểm - Được dùng phổ biến cho máy lạnh dùng máy nén Pittong - Thể tích nhỏ - Nhiệt độ tới hạn lớn (132,4°C) - Áp suất làm việc trong thiết bị ngưng tụ không quá cao (9-14 at) 40
  44. - Áp suất bốc hơi không quá thấp - Dễ phát hiện khi dò rỉ. Nhược điểm - Độc hại - Có mùi đặc trưng - Ăn mòn đồng và các hợp kim đồng - Có thể tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí Ứng dụng: dùng cho máy lạnh có công suất lớn. ii) Cloflocarbon (CFC) Ưu điểm - Được dùng phổ biến vì không độc hại, cháy nổ Nhược điểm - Rất nhẹ, có thể tồn tại trong khí quyển lâu dài, tạo chất Clorin phá hủy tầng ôzon. Ứng dụng: không còn sử dụng từ năm 2010. iii) Hydrocarbon Bao gồm: Propan nguyên chất (R290), izo-butan nguyên chất (R600a), hợp chất R290/R600a. Ứng dụng: - R290 dùng trong công nghiệp. - R600a: dùng cho tủ lạnh gia đình. - R290/R600a: dùng cho máy lạnh thương mại. Ưu điểm: - Nhiệt lượng bay hơi lớn hơn CFC - Khối lượng riêng nhỏ hơn CFC Nhược điểm: dễ gây cháy nổ khi trộn lẫn không khí và có mồi nổ. 4.1.6. Chất tải lạnh Dùng chất tải lạnh với vai trò là chất trung gian mang nhiệt từ vật làm lạnh đến tác nhân lạnh Chu trình vận chuyển của chất tải lạnh: + Bơm tuần hoàn đi theo vòng kín. 41
  45. + Lấy nhiệt của vật làm lạnh tại thiết bị bốc hơi Chất tải lạnh thường dùng: NaCl, CaCl2, MgCl2 Lựa chọn nồng độ tùy thuộc vào mức độ làm lạnh. Nồng độ phải đủ lớn để dung dịch không đóng băng ở nhiệt độ thấp nhất trong hệ thống Chất tải lạnh phải được chuẩn bị bằng muối tinh khiết, nếu có lẫn Na2SO4. 4.1.7. Máy nén hai bậc. - Máy nén Amoniac chỉ làm việc thích hợp với chỉ số nén không quá 8-9 - Khi nén áp suất cao, làm tăng nhiệt độ hơi tác nhân lạnh, có thể làm phân hủy Amoniac (120 C) nén 2 – 3 bậc - Khi nhiệt độ bay hơi T0 = -25°C : 1 bậc - Khi nhiệt độ bay hơi T0 = -25°C - 50°C : 2 bậc - Khi nhiệt độ bay hơi T0 = -50°C - 75°C : 3 bậc - Trong máy lạnh hai cấp, mức độ nén của cấp thấp và cấp cao nhỏ hơn máy nén một cấp nên hiệu suất thể tích máy nén sẽ lớn hơn 4.1.8. Sơ đồ làm lạnh liên hợp. Với tác nhân lạnh có áp suất ngưng tụ không cao lắm và nhiệt độ bay hơi thấp, máy nén phải làm việc trong điều kiện chân không. Với các máy nén Pittong hiện đại có thể làm việc ở áp suất hút tuyệt đối 0,1 at. Với tác nhân lạnh NH3 hoặc Freon có nhiệt độ ứng với áp suất đó là -70°C. Với các tác nhân ạnh có áp suất hút cao, nhiệt độ thấp thì khi ngưng tụ cần phải có áp suất cao Khi cần phải làm việc ở nhiệt độ -70°C, phải dùng máy lạnh liên hợp (trong hệ thống có 2 tác nhân lạnh). 42
  46. Độ lạnh thu được ở khâu thứ nhất dùng để ngưng tụ tác nhân lạnh ở khâu thứ hai, thường dùng nén một cấp hay hai cấp. Khâu thứ nhất tác nhân lạnh là R13 (-13°C đến -90°C). Thiết bị bốc hơi NH3 đồng thời là thiết bị ngưng tụ R13. 4.1.9. Máy làm lạnh kiểu hấp phụ. Trong các máy lạnh kiểu hấp thụ, năng lượng tiêu hao cho quá trình là nhiệt năng chú không phải cơ năng. Khi tác nhân lạnh là NH3, thì chất chất hấp thụ dùng là dung dịch Amoniac loãng. Nguyên tắc làm việc: Hơi NH3 từ đỉnh tháp chưng luyện (>90%) đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu để ngưng tụ một phần về tháp chưng luyện. Hơi NH3 đi qua thiết bị ngựng tụ làm lạnh. Lỏng sau ngưng tụ đi qua van tiết lưu 4 giãn đến áp suất bốc hơi rồi đi vào thiết bị bốc hơi. Hơi từ thiết bị bốc hơi đi vào thiết bị hấp thụ 6, được hấp thụ bằng NH3 loãng, sau đó được bơm về tháp chưng luyện. Trong thiết bị trao đổi nhiệt, dung dịch loãng cấp nhi cho dung dịch đặc: dung dịch đăc được đốt nóng trước khi vào tháp chưng luyện, dung dịch loãng được làm mát trước khi vào tháp hấp thụ Áp suất trong thiết bị hấp thụ được duy trì bằng áp suất trong thiết bị bốc hơi, áp suất trong tháp chưng luyện bằng áp suất ngưng tụ. 4.1.10. Máy làm lạnh kiểu Tuy-e Trong các máy lạnh kiểu tuy-e, năng lượng tiêu hao cho quá trình là nhiệt năng chứ không phải cơ năng. Tác nhân là nước lạnh. Nguyên tắc làm việc: Hơi nước từ nồi hơi áp suất cao đi vào tuye, giãn qua ốn loa, áp suất giảm xuống bằng áp suất trong thiết bị bốc hơi. Hơi có vận tốc lớn hút tác nhân lạnh (nước) từ thiết bị bốc h sang, trộn lẫn với nhau. Hỗn hợp hơi đi qua ống giãn, vận tốc 43
  47. giảm nhiều, động nănn chuyển thành thế năng, hỗn hợp lại được nén đến áp suất cao hơn. Hỗn hợp đi vào thiết bị ngưng tụ rồi hóa lỏng. Nước từ thiết bị ngưng tụ một phần được bơm về nồi hơi, một phần qua van tiết lưu 6 giãn đến áp suất bốc hơi đươc đưa vào thiết bị bốc hơi, nhận nhiệt của môi trường cần làm lạnh để bốc hơi Để tạo độ chân không cao, thường dùng tuye nhiều bậc. Thường dùng sản xuất nước đá, dùng nước làm chất tải lạnh. 4.1.11. Máy làm lạnh bằng không khí Nguyên tắc làm việc: Không khí được nén đoạn nhiệt đến áp suất tuyệt đối 5-6 at trong máy nén.Sau đó được làm lạnh bắng nước đến mức tối trong thiết bị làm lạnh. Giãn đoạn nhiệt trong máy giãn Nhiệt độ không khí hạ thấp rồi đi vào phòng lạnh. Không khí lấy nhiệt của vật cần làm lạnh và nón lên rồi được hút vào máy nén. Nhiệt dung riêng của không khí nhỏ nên ngay trong máy có năng suất lạnh nhỏ cũng phải tuần hoàn một lượng không khí lớn cho nên loại máy lạnh này rất cồng kềnh. 44
  48. Tài liệu tham khảo 1. PGS.TS. Phạm Xuân Toản. Các quá trình,thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm. tập 3. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2003 2. Perry’s Chemical Engineers' Handbook. 8th Edition, McGraw-Hil, 2008. 3. Visual Encyclopedia of Chemical Engineering Equipments. MIT, 2001. 45