3 quá trình truyền nhiệt đun nóng, làm lạnh và ngưng tụ

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 1500 0C đến 2000 oC và cao hơn nữa)+ Độ giảm nhiệt độ rất lớn, do đó đun nóng không được đồng đều và khó điều chỉnh nhiệt độ+ Lò hồ quang thường dùng làm chảy các kim loại, sản suất canxi cacbua , 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

GV: ThS Nguyễn Quốc Hải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

KHOA HOÁ HỌC VÀ CNTP

Chương 2:

ĐUN NÓNG – LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ

1 NGUỒN NHIỆT:

 Có 2 loại nguồn nhiệt

- Nguồn nhiệt trực tiếp: bao gồm khói lò, dòng điện

- Nguồn nhiệt gián tiếp: dùng các chất tải nhiệt trung gian để lấy nhiệt từ nguồn nhiệt trực tiếp và truyền cho các chất đun nóng như hơi nước

hoặc nước nóng, hơi nước quá nhiệt, dầu khoáng, các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó, kim loại ở trạng thái lỏng…

 Các điều kiện quan trọng khi chọn tác nhân:

 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

 Rẻ tiền và dễ kiếm

2 PHƯƠNG PHÁP ĐUN NÓNG:

2.1 Đun nóng bằng hơi nước bão hoà

Ưu điểm:

o Lượng nhiệt cung cấp lớn

o Đun nóng được đồng đều

o Hệ số cấp nhiệt lớn→ bề mặt truyền nhiệt nhỏ

o Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng

o Vận chuyển đi xa được trong đường ống

Nhược điểm:

Nhiệt độ hơi cao → áp suất hơi cao→ ẩn nhiệt hoá hơi giảm → Khó đun nóng được ở nhiệt độ cao

2 PHƯƠNG PHÁP ĐUN NÓNG:

2.2 Đun nóng bằng khói lo

Ưu điểm:

- Đun nóng bằng khói lò có thể tạo được nhiệt độ cao

Nhược điểm:

 Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ

 Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ nên phải dùng một lượng khói ló rất lớn để làm việc

 Đun nóng không được đồng đều

 Khó điều chỉnh nhiệt độ đun

 Khói lò thường có bụi và khí độc của nhiên liệu (nhất là nhiên liệu rắn)

 Trong khói lò luôn có lượng ôxy dư vì vậy ở nhiệt độ cao khi tếp xúc với thiết bị sẽ bị ôxy hoá kim loại làm thiết bị nhanh hỏng;

 Hiệu suất sử dụng thấp, lớn nhất là 30%

2 PHƯƠNG PHÁP ĐUN NÓNG:

2.3 Đun nóng bằng dong điện

- Ưu điểm: đun nóng bằng dòng điện có thể tạo được nhiệt độ rất cao đến 32000C, dễ điều chỉnh nhiệt độ

- Nhược điểm: thiết bị phức tạp giá thành cao do vậy chưa được sử dụng rộng rãi

2.4 Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt

- Khi cần đun nóng ở nhiệt độ lớn hơn 1800 C ta cần dùng chất tải nhiệt đặc biệt như nước quá nhiệt, chất lỏng có nhiệt độ sôi cao và áp suất hơi bão hoà nhỏ, không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao các chất tải nhiệt hữu cơ thường dùng là điphênyl, êteđiphênyl, hỗn hợp các muối và kim loại nóng chảy …

1.2.5 Đun nóng bằng khí thải và chất lỏng thải

- Đây là một phương pháp đun nóng tiếp kiệm, tận dung nhiệt của các chất thải

trong nhà máy mà nhiệt độ còn cao

3 ĐUN NÓNG BẰNG HƠI NƯỚC

3.1 ĐUN NÓNG BẰNG HƠI NƯỚC TRỰC TIẾP

Thiết bị loại sục

TBĐN loại sủi bọt

TBĐN loại không có tiếng động

3 ĐUN NÓNG BẰNG HƠI NƯỚC

3.1 ĐUN NÓNG BẰNG HƠI NƯỚC TRỰC TIẾP

Xác định lượng hơi nước tiêu hao:

Dλ+G2C2t2đ = CDt2c + G2C2t2c + Qm

Suy ra:

Trong đó:

- C: nhiệt dung riêng hơi nước ngưng tụ, J/kg.0C

- G2: lượng chất lỏng cần đun nóng, kg/s

- C2: nhiệt dung riêng chất lỏng, J/kg.0C

- t2đ, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng, oC

- D- lượng hơi nước cần thiết, kg

3 ĐUN NÓNG BẰNG HƠI NƯỚC

3.2 ĐUN NÓNG BẰNG HƠI NƯỚC GIÁN TIẾP

- Quá trình truyền nhiệt giữa hơi nước với chất cần đun nóng qua tường ngăn cách. - Nhiệt từ hơi sẽ truyền qua tường để cấp cho chất cần đun nóng

- Đun nóng gián tiếp được thực hiện trong nhiều loại thiết bị khác nhau như: thiết bị loại ống xoắn, loại ống chùm, loại vỏ bọc vv. . Hơi 

nước sau khi cấp nhiệt qua tường sẽ bị ngưng tụ rồi chảy ra khỏi thiết bị qua đường ống riêng

- Lượng hơi cần cấp:

Trong đó:

θ-nhiệt độ nước ngưng, 0C

C- nhiệt dung riêng nước ngưng tụ

4 ĐUN NÓNG BẰNG KHÓI LÒ

- 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

Nguyên tắc

4 ĐUN NÓNG BẰNG KHÓI LÒ

Sơ lược các bước tính toán quá trình đun nóng bằng khói lò

(1) Tính nhiệt sinh của nhiên liệu

(2) Lượng không khí lý thuyết để dùng đốt cháy nhiên liệu

(3) Xác định thành phần các khí trong khói lò

(4) Tính hàm ẩm của khói lò

(5) Cân bằng nhiệt lượng

(6) Kích thước của lò đốt

5 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 1500 0C đến 2000 oC và cao hơn nữa)

+ Độ giảm nhiệt độ rất lớn, do đó đun nóng không được đồng đều và khó điều chỉnh nhiệt độ+ Lò hồ quang thường dùng làm chảy các kim loại, sản suất canxi cacbua , phốt pho…

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

Lo 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

Đun nóng bằng dong điện có tần số cao

- Dùng đun nóng các chất điện môi hay các chất bán dẫn (hoặc các chất 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 dễ dàng và có thể hoàn toàn tự động

Khoảng cách giữa

2 bản cực

kW L

D V

Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt

Thường được sử dụng trong trường hợp :

+ Đun nóng ở nhiệt độ không 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

- 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

- Nhiệt độ giới hạn đun nóng của dầu thấp (~ 250 °C) vì nhiệt

độ cháy của dầu không vượt qua 300-310 °C

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 nguội đi, khối lượng riêng tăng lên và đi

về lò đốt

- Cường độ tuần hoàn phụ thuộc vào độ giảm nhiệt độ của nước ttrong ống

xoắn và hiệu số chiều cao của thiết bị truyền nhiệt ở lò đốt và thiết bị đun

Đun nóng bằng chất tải nhiệt hữu cơ

- Nhiệt độ sôi cao

- Áp suất hơi bão hoà tương đối nhỏ

Naphtalin, ête điphênyl, và hỗn hợp đẳng phí của chúng Chất được dùng phổ biến nhất là điphênyl và ête điphênyl, hỗn hợp này gồm 26,5% điphênyl (C6H5-C6H5) và 73,5% ête điphênyl (C6H5- O - C6H5) , nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 2580C và đóng rắn ở 12,30C, áp suất hơi bão hoà riêng phần ở 200độ là 0,25 at còn ở 350 0C 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 350 0C là 217.103 J/kg còn của hơi nước là 114.104 J/kg nghĩa là nhỏ hơn 4,5 lần Hỗn hơp điphênyl tuy cháy được nhưng thực tế lại rất an toàn, độ độc không đáng kể, nó có thể làm lâu dài ở 3800C mà không bị phân huỷ

- Sản phẩm được đun nóng đồng đều hơn

Đun nóng bằng hỗn hợp hơi nóng chảy

- Đun nóng ở nhiệt độ cao hơn 380 °C

-Hỗn hợp này được ứng dụng để đun nóng từ 140 °C đến 510 °C không có áp suất dư

- Ví dụ Một hỗn hợp muối:

hỗn hợp ba muối gồm có: 10% NaNO 2, 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 muói 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

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 phỉ 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 ttrên 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

LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ

LÀM NGUỘI

-Làm nguội cũng là một quá trình truyền nhiệt-Chất tải nhiệt được dùng phổ biến trong quá trình làm nguội là nước và không khí

Làm nguội trực tiếp

Làm nguội gián tiếp

- Nước lạnh hoặc nước đá

- Tự bay hơi

- Làm nguội khí

- Dùng những thiết bị trao đổi nhiệt để làm nguội

- Quá trình truyền nhiệt giữa các chất cần làm nguội và các chất làm nguội được tiến hành qua tường ngăn

- Tác nhân làm nguội được dùng nhiều nhất là nước và không khí

- Nếu nhiệt độ làm nguội cần phải đạt thấp hơn 15 ÷ 30oC thì dùng tác nhân làm nguội có nhiệt độ thấp

- Cấu tạo thiết bị làm nguội giống như thiết bị đun nóng, nhưng khi tiến hành quá trình làm nguội cần phải chú ý đến việc chọn chiều lưu thể vì cả hai lưu thể cùng thay

Bơm nước

Dong nóng

Dong lạnh

Dòng nóng vào

NGƯNG TỤ Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng bằng hai cách:

-Làm nguội hơi ( hoặc khí);

-Nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời

- 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 cấp

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

NGƯNG TỤ GIÁN TIẾP

Hơi và nước đi ngược chiều nhau:

+ Nước làm lạnh cho đi từ dưới lên + Hơi đi từ trên xuống

- 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 nguội 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 nguội 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 nguội chất lỏng đã ngưng tụ đến nhiệt độ cần thiết

Khi ngưng tụ hơi bão hoà và không làm nguội chất lỏng đã ngưng tụ thì giai đoạn 1 và 3 không có, chỉ có giai đoạn 2

LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ

Tính toán quá trình ngưng tụ gián tiếp: ngưng tự hơi quá nhiệt và có làm nguội nước ngưng:

L

T, 0C t2đ

Biến thiên nhiệt độ dọc theo thiết bị

I- giai đoạn làm nguội hơi quá nhiệt.

II- giai đoạn ngưng tụ III- giai đoạn làm nguội chất lỏng đã ngưng tụ

• Q-nhiệt lượng trao đổi trong quá trình TDN,W

• Q1-nhiệt lấy đi để làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ bão hoà, W

• Q2-nhiệt do hơi toả ra để ngưng tụ, W

• Q3-nhiệt toả ra khi làm nguội nước ngưng, W

• r-ẩn nhiệt hoá hơi, J/kg

• Cp-nhiệt dung riêng trung bình của hơi nước quá nhiệt, J/kg.độ

• C-nhiệt dung riêng của nước, J/kg/độ

• t1đ-nhiệt độ đầu của hơi nước quá nhiệt, 0C

• t1c-nhiệt độ cuối của nước ngưng, 0C

• tbh-nhiệt độ hơi bão hoà, 0C

• t2đ,t2c-nhiệt độ đầu, cuối của nước làm nguội, 0C

• Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

• K1,K2,K3- hệ số truyền nhiệt tương ứng của ba giai đoạn I,II,III

• Δttb1, Δttb2, Δttb3-hiệu số nhiệt độ trung bình tương ứng 3 giai đoạn

• Hiệu số nhiệt độ trung bình tính như sau:

Giai đoạn I: Δttb1=, với ΔtđI= t1đ-t2c; ΔtcI= tbh-ty

Giai đoạn II: Δttb2=, với ΔtđII= tbh-tx; ΔtcII= tbh-ty

Giai đoạn III: Δttb3=, với ΔtđIII= tbh-tx; ΔtcIII= t1c-t2đ

NGƯNG TỤ TRỰC TIẾP

- Nguyên tắc làm việc: phun 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 nguội)

- 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

- 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 ướt và loại khô

+ Trong thiết bị loại ướt: chất lỏng ngưng tụ , nước làm nguội và khí không ngưng được dẫn ra cùng một đường bằng một bơm << không khí - ướt >>

+Trong thiết bị loại khô, nước ngưng và nước làm nguội được dẫn đi chung một đường, còn khí không ngưng được hút ra theo một

LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ

NGƯNG TỤ TRỰC TIẾP 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

voi 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

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

Gọn, năng suất nhỏ, thường dùng trong trường hợp nước tháo ra còn được đưa đi sử dụng lại.

Thiết bị ngưng tụ ngược chiều loại cao

Nguyên lý làm việc

2.2 LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ

Ưu điểm là nước tự chảy ra được, không cần bơm nên tốn ít năng lượng,

năng suất lớn

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, xuối chiều

2.2 LÀM NGUỘI – NGƯNG TỤ

- 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 barômét

NGƯNG TỤ TRỰC TIẾP Loại ướt