CHƯƠNG 2 DUN NÓNG LÀM NGUỘI NGƯNG TỤ

CHƯƠNG 2: ĐUN NÓNG – LÀM
NGUỘI – NGƯNG TỤ
2.1. Đun nóng
2.2. Làm nguội và ngưng tụ
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ1
2.1. Đun nóng là quá trình được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp
nhằm làm tăng vận tốc một số quá trình như cô đặc, chưng cất, sấy khô,
phản ứng…
Nguồn nhiệt
•
Nguồn nhiệt trực tiếp như: khói lò, điện năng;
•
Chất tải nhiệt trung gian như: hơi nước bão hòa, hơi nước quá nhiệt,
dầu khoáng, các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi các chất hữu cơ,
các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp các muối này và một số kim
loại, hợp kim ở trạng thái lỏng.
•
Nhiệt từ nguồn khí thải hoặc chất thải lỏng có nhiệt độ cao.
Chọn chất tải nhiệt cần chú ý các điều kiện quan trọng sau đây:
-
Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ;
-
Áp suất hơi bão hòa và độ bền theo nhiệt độ;
-
Độ độc và tính hoạt động hóa học;
-
Độ an toàn khi đun nóng (không cháy, nổ…);
-
Rẽ và dễ tìm.
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ2
2.1.1. Đun nóng bằng hơi nước bảo hoà


Đun nóng bằng hơi nước bão hòa được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp thực phẩm do có những ưu điểm sau:
-
Hệ số cấp nhiệt lớn (10.000 – 15.000W/m2.độ).
-
Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo một đơn vị khối lượng chất tải nhiệt)
vì là nhiệt ngưng tụ của hơi bão hòa.
-
Toàn bộ bề mặt truyền nhiệt tại nhiệt độ không đổi.
-
Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi.
-
Vận chuyển được dễ dàng theo đường ống.

Nhược điểm chính là không thể đun nóng được ở nhiệt độ cao. Ví dụ hơi
nước bão hòa ở 3500C thí áp suất hơi bão hòa là 180atm, ở 3740C (nhiệt
độ tới hạn) áp suất là 225 atm và ẩn nhiệt hóa hơi bằng không. Vì vậy 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 1800C.
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ3
1. Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa trực tiếp
Hơi nước sục trực tiếp vào trong chất lỏng cần đun nóng.
Hơi nước ngưng tụ và cấp ẩn nhiệt ngưng tụ cho chất lỏng,
nước ngưng tạo thành trộn lẫn với chất lỏng.
Cân bằng nhiệt lượng để xác định lượng hơi nước cho quá trình đun
nóng
D.r + G2Cpt2đ = DCt2c + G2Cpt2c + Qtt
D = (2.1)

với Cp = nhiệt dung riêng của chất lỏng, J/kg.0C
G2 = lượng chất lỏng cần đun nóng, kg/s;
C = nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ, J/kg.0C;
t2đ, t2c = nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng, 0C;
D = lượng hơi nước cần thiết, kg/s;
r = nhiệt ngưng tụ của hơi nước, J/kg;
Qtt = nhiệt tổn thất ra môi trường ngoài, W
•

5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ4
2. Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa gián tiếp

Khi chất lỏng cần đun nóng không được
trộn lẫn với nước, không được pha loãng…

Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp được
thực hiện : thiết bị có vỏ bọc ngoài (hai vỏ),
loại ống xoắn, loại ống Trong trường hợp
trao đổi nhiệt này chiều của lưu chất không
ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt
nhưng khi thiết kế thường cho hơi vào phía
trên để nước ngưng có thể chảy xuống dễ
dàng.

Tương tự như trường hợp đun nóng bằng
hơi nước trực tiếp, lượng hơi nước cần thiết
cho quá trình đun nóng gián tiếp được xác
định từ phương trình cân bằng nhiệt lượng.
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ5
2.1.2. Đun nóng bằng khói lò

1. Nguyên tắc
Khói lò được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trong lò đốt, sau
đó đi vào phòng phối trộn. Trong phòng này phối trộn thêm
không khí lạnh vào để điều chỉnh nhiệt độ của khói lò theo
yêu cầu sử dụng. Để giảm lượng oxy trong khói lò có thể sử
dụng khói thải sau khi đã đun nóng để trộn.
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ6
2.1.3. Đun nóng bằng điện
Quá trình được thực hiện trong các kiểu lò khác nhau; lò hồ quang, lò điện trở, lò cảm ứng…

Trong 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 một thể tích nhỏ do đó có thể đạt được nhiệt độ rất cao (1.500 – 2.0000C hoặc có
thể hơn nữa). Trong lò hồ quang có độ giảm nhiệt độ rất lớn, dó đó đun nóng không được đồng đều và
khó điều chỉnh nhiệt độ.

Lò điện chia làm hai loại
-
Lò điện trực tiếp trong đó vật liệu đun nóng được nối trực tiếp vào mạch điện hoặc qua máy biến thế
cho dòng điện vào để đốt nóng (lò thủy tinh, lò sứ)…
-
Lò điện gián tiếp trong đó nhiệt tỏa ra do dòng điện dun nóng dây điện trở rồi truyền nhiệt cho vật liệu
bằng bức xạ, dẫn nhiệt hoặc đối lưu.

Trong lò điện cảm ứng, vật liệu được đun nóng đặt trong từ trường xoay chiều hoặc điện trường xoay
chiều, khi đó vật liệu sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng (dòng điện xoay) để đốt nóng vật liệu.
Trong công nghiệp thường ứng dụng các lòa điện trở gián tiếp, lò điện cảm ứng và một phần bằng dòng
điện có tần số cao để đun nóng.
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ7
Thí dụ 1- Đun nóng bằng hơi nước bảo hòa: Dung dịch đường
được đun nóng từ 300C đến 1000C. Cho biết năng suất là 1.000

kg/h, nhiệt dung riêng là 4,3kJ/kg.0C. Đun nóng bằng hơi nước
bảo hòa ở 2atm (1200C, r = 2.207 kJ/kg). Cho biết hệ số truyền
nhiệt là 2.000 W/m2.0C Tính:
a) Lượng hơi nước cần dùng?
b) Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt?
Thí dụ 2 – Làm nguội – Chọn chiều chuyển động: 1.000 kg/h dung
dịch sau khi được thanh trùng ở 1000C được làm nguội xuống
400C, nhiệt dung riêng là 4,25kJ/kg.0C. Nước làm nguội ban đầu
ở 300C tăng lên 450C. Hệ số truyền nhiệt là 1.000 W/m2.0C. Xác
định:
a) Chiều chuyển động của hai lưu chất?
b) Lưu lượng nước cần dùng?
c) Diện tích bề mặt truyền nhiệt?
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ8
Thí dụ 3- Ngưng tụ: Hơi rượu trong thiết bị chưng cất được
cho ngưng tụ ở 780C năng suất là 1.000 kg/h, nhiệt ngưng tụ là
1.200kJ/kg. Nước làm nguội ban đầu ở 300C tăng lên 450C.
Cho biết hệ số truyền nhiệt là 500 W/m2.0C Tính:
a) Lượng nước cần dùng cho quá trình ngưng tụ?
b) Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt?
Thí dụ 4 – Đun nóng bằng khói lò: Đun nóng 1.000kg/h dầu
shortening từ 300C đến 1500C có nhiệt dung riêng là
2,7kJ/kg.0C bằng khói lò của quá trình đốt dầu F.O có nhiệt trị
là 42.000 kJ/kg. Nhiệt độ ban đầu của khói lò là 6500C, sau khi
trao đổi nhiệt còn 2000C. Hiệu suất của lò đốt là 75%. K = 100
W/m2.0C. Xác định:
a) Lượng dầu đốt cần dùng?
b) Diện tích bề mặt truyền nhiệt?
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ9
•

Thí dụ 5- Đun nóng bằng điện: Một thiết bị đun nóng 1 kg
nước từ 300C đến 1000C, công suất là 1kW, thời gian đun
nóng là 6 phút. Tính hiệu suất của thiết bị này?
•
Thí dụ 6 – Đun nóng bằng điện: Cần đun nóng dầu từ 300C
đến 1000C có nhiệt dung riêng là 2,7kJ/kg.0C bằng điện
trở. Khối lượng dầu cần đun là 10kg. Công suất điện của
thiết bị là 5kW, hiệu suất thiết bị là 90%. Hỏi sau bao lâu
thì quá trình đun hoàn tất? Nếu muốn đun trong 5 phút thì
công suất điện trở là bao nhiêu?
5/29/14Chuong 2 - Đun nóng - Làm nguội - Ngưng tụ10