Tiêu thụ Năng lượng của các Bể và Thùng

Việc đun nóng chất lỏng trong bể và thùng là yêu cầu quan trọng trong các ngành quy trình. Có nhiều loại bể với các công dụng khác nhau. Xác định yêu cầu nhiệt, truyền nhiệt và tính toán tổn thất nhiệt đều được đề cập trong bài học này.

Việc đun nóng chất lỏng trong bể là yêu cầu quan trọng trong các ngành quy trình như chế biến sữa, xử lý kim loại và dệt may. Nước có thể cần được đun nóng để cung cấp tiện nghi nước nóng; ngoài ra, chất lỏng có thể cần được đun nóng như một phần của chính quy trình sản xuất, dù có phản ứng hóa học hay không. Các quy trình như vậy có thể bao gồm bể cấp lò hơi, bể rửa, thiết bị bay hơi, chảo đun, nồi đồng, bộ gia nhiệt tuần hoàn và bộ tái sôi.

Bể mở và bể đóng được sử dụng cho nhiều ứng dụng quy trình: Bể cấp lò hơi

Bể cấp lò hơi là trung tâm của bất kỳ hệ thống tạo hơi nào. Nó cung cấp bể chứa nước ngưng tụ trả về và nước bổ sung đã xử lý, để cấp cho lò hơi. Một lý do để đun nóng nước là giảm oxy đi vào lò hơi, với (lý thuyết) 0 ppm oxy ở 100 °C. Bể cấp lò hơi thường vận hành ở khoảng 80 °C đến 90 °C. Bể nước nóng

Nước nóng được yêu cầu cho nhiều quy trình trong công nghiệp. Nó thường được đun nóng trong các bể đơn giản, mở hoặc đóng sử dụng hơi nước làm môi chất đun nóng. Nhiệt độ vận hành có thể nằm trong khoảng 40 °C đến 85 °C tùy thuộc vào ứng dụng. Bể tẩy dầu mỡ

Tẩy dầu mỡ là quy trình loại bỏ cặn dầu mỡ và dầu làm mát khỏi bề mặt kim loại, sau gia công và trước lắp ráp sản phẩm cuối cùng. Trong bể tẩy dầu mỡ, vật liệu được nhúng vào dung dịch, được đun nóng bằng cuộn ống đến nhiệt độ từ 90 °C đến 95 °C. Bể xử lý kim loại

Bể xử lý kim loại, đôi khi được gọi là thùng, được sử dụng trong nhiều quy trình khác nhau:

• Để loại bỏ cặn hoặc gỉ.
• Để phủ lớp kim loại lên bề mặt. Nhiệt độ xử lý thường nằm trong khoảng 70 °C đến 85 °C. Bể chứa dầu

Bể chứa được yêu cầu để giữ các loại dầu không thể bơm ở nhiệt độ môi trường, chẳng hạn như dầu nhiên liệu nặng cho lò hơi. Ở nhiệt độ môi trường, dầu nặng rất đặc và phải được đun nóng đến 30 °C - 40 °C để giảm độ nhớt và cho phép bơm. Điều này có nghĩa là tất cả các bể chứa dầu nặng cần được trang bị hệ thống đun nóng để tạo điều kiện bơm. Bể đun nóng được sử dụng trong các ngành quy trình

Bể đun nóng được sử dụng bởi nhiều ngành quy trình, xem Bảng 2.9.1.

Bảng 2.9.1 Các ngành quy trình sử dụng bể đun nóng

Trong một số ứng dụng, chất lỏng quy trình có thể đã đạt nhiệt độ làm việc, và yêu cầu nhiệt duy nhất có thể là do tổn thất từ bề mặt rắn của thành và/hoặc tổn thất từ bề mặt chất lỏng.

Chương này sẽ xử lý các phép tính xác định yêu cầu năng lượng của bể: hai chương tiếp theo (2.10 và 2.11) sẽ xử lý cách năng lượng này có thể được cung cấp. Khi xác định yêu cầu nhiệt của bể hoặc thùng chất lỏng quy trình, tổng yêu cầu nhiệt có thể bao gồm một số hoặc tất cả các thành phần chính sau:

1. Nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất lỏng quy trình từ lạnh lên nhiệt độ làm việc.
2. Nhiệt cần thiết để nâng vật liệu bể từ lạnh lên nhiệt độ làm việc.
3. Nhiệt bị mất từ bề mặt rắn của bể ra khí quyển.
4. Nhiệt bị mất từ bề mặt chất lỏng tiếp xúc với khí quyển.
5. Nhiệt được hấp thụ bởi bất kỳ vật lạnh nào nhúng vào chất lỏng quy trình. Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng chỉ một số thành phần trên là đáng kể. Ví dụ, trong trường hợp bể chứa dầu cách nhiệt kín hoàn toàn, tổng yêu cầu nhiệt có thể gần như hoàn toàn là nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ chất lỏng. Các mục 1 và 2, năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ chất lỏng và vật liệu bể, và mục 5, nhiệt được hấp thụ bởi bất kỳ vật lạnh nào nhúng vào chất lỏng quy trình, có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng Phương trình 2.6.1. Nói chung, dữ liệu có thể được xác định chính xác, và do đó tính toán yêu cầu nhiệt là đơn giản và chính xác.

Các mục 3 và 4, tổn thất nhiệt từ bề mặt bể và chất lỏng có thể được xác định bằng cách sử dụng Phương trình 2.5.3.

Tuy nhiên, tính toán tổn thất nhiệt phức tạp hơn nhiều, và thường phải dựa vào dữ liệu kinh nghiệm, hoặc bảng dựa trên một số giả định. Theo đó, tính toán tổn thất nhiệt kém chính xác hơn.

Tổn thất nhiệt từ bề mặt rắn của bể ra khí quyển Nhiệt chỉ được truyền khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và không khí môi trường. Hình 2.9.1 cung cấp một số hệ số truyền nhiệt tổng thể điển hình cho truyền nhiệt từ bề mặt phẳng thép trần ra không khí môi trường. Nếu đáy bể không tiếp xúc với không khí môi trường, mà nằm phẳng trên mặt đất, thường coi thành phần tổn thất nhiệt này là không đáng kể, và có thể bỏ qua an toàn.

• Đối với cách nhiệt 25 mm, giá trị U nên được nhân với hệ số 0,2
• Đối với cách nhiệt 50 mm, giá trị U nên được nhân với hệ số 0,1 Các hệ số truyền nhiệt tổng thể được cung cấp trong Hình 2.9.1 chỉ dành cho điều kiện ‘không khí tĩnh’.

Bảng 2.9.2 cho thấy các hệ số nhân cần được áp dụng cho các giá trị này nếu vận tốc không khí được tính đến. Tuy nhiên, nếu bề mặt được cách nhiệt tốt, vận tốc không khí khó có thể tăng tổn thất nhiệt quá 10% ngay cả trong điều kiện lộ thiên.

Bảng 2.9.2 Ảnh hưởng đến truyền nhiệt với chuyển động không khí

Vận tốc dưới 1 m/s có thể được coi là điều kiện che chắn, trong khi 5 m/s có thể được coi là gió nhẹ (khoảng cấp 3 trên thang Beaufort), 10 m/s là gió vừa (Beaufort 5), và 16 m/s là gió mạnh vừa (Beaufort 7).

Đối với bể chứa dầu, các hệ số truyền nhiệt tổng thể được trích dẫn trong Bảng 2.9.3 có thể được sử dụng.

Bảng 2.9.3 Hệ số truyền nhiệt tổng thể cho bể dầu

Bể nước: tổn thất nhiệt từ bề mặt nước ra khí quyển Hình 2.9.2 liên hệ tổn thất nhiệt từ bề mặt nước với vận tốc không khí và nhiệt độ bề mặt. Trong biểu đồ này, không khí ‘tĩnh’ được coi là có vận tốc 1 m/s, bể ở vị trí che chắn ngoài trời xem xét vận tốc khoảng 4 m/s, trong khi bể ở vị trí lộ thiên ngoài trời được xem xét với vận tốc khoảng 8 m/s. Biểu đồ này cung cấp tổn thất nhiệt tính bằng W/m² thay vì đơn vị của hệ số truyền nhiệt tổng thể W/m² °C. Điều này có nghĩa là giá trị này phải được nhân với diện tích bề mặt để cung cấp tốc độ truyền nhiệt, vì chênh lệch nhiệt độ giữa nước và không khí đã được tính đến. Tổn thất nhiệt từ bề mặt nước, như hiển thị trong Hình 2.9.2, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ ẩm không khí. Toàn bộ phạm vi độ ẩm có thể gặp phải trong thực tế được bao phủ bởi độ dày của đường cong. Tuy nhiên, đồ thị xem xét tổn thất nhiệt với nhiệt độ không khí 15,6 °C và độ ẩm không khí 55%. Các điều kiện khác có thể được tính từ Trung tâm Hỗ trợ Kỹ thuật trên trang web Spirax Sarco. Để xác định tổn thất nhiệt từ biểu đồ, nhiệt độ bề mặt nước phải được chọn từ thang trên. Sau đó một đường nên được chiếu thẳng đứng xuống đường cong tổt thất nhiệt (đậm). Đối với bể trong nhà, một đường nên được chiếu ngang từ điểm giao cắt sang thang bên trái. Đối với bể ngoài trời, một đường ngang nên được chiếu sang trái hoặc phải cho đến khi nó giao với vị trí yêu cầu, either che chắn hoặc lộ thiên. Một chiếu thẳng đứng xuống sau đó sẽ hiển thị tổt thất nhiệt trên thang dưới. Trong hầu hết các trường hợp, tổn thất nhiệt từ bề mặt chất lỏng có thể là yếu tố tổn thất nhiệt quan trọng nhất. Khi thực tế, tổn thất nhiệt có thể được giới hạn bằng cách phủ bề mặt chất lỏng bằng một lớp hạt polystyrene tạo ‘chăn’ cách nhiệt. Bất kỳ giải pháp nào để giảm tổn thất nhiệt trở nên quan trọng hơn khi bể được đặt ngoài trời ở vị trí lộ thiên như minh họa trong đồ thị Hình 2.9.2

Ví dụ 2.9.1

Đối với bể được hiển thị trong Hình 2.9.3, xác định: Phần 1. Tốc độ truyền nhiệt trung bình cần thiết trong quá trình khởi động. Phần 2. Tốc độ truyền nhiệt tối đa cần thiết trong quá trình vận hành.

• Bể không cách nhiệt, mở nắp và nằm trên sàn bê tông bên trong nhà máy. Nó dài 3 m, rộng 3 m, cao 2 m. Tổng diện tích bề mặt bể = 24 m² (không bao gồm đáy). Hệ số truyền nhiệt từ bể/không khí, U1 = 11 W/m² °C. Bể chứa 2/3 dung dịch axit loãng (cp = 3,9 kJ/kg °C) có cùng mật độ với nước (1 000 kg/m³)
• Bể được chế tạo từ tấm thép mềm dày 15 mm. (Mật độ = 7 850 kg/m³, cp = 0,5 kJ/kg °C)
• Bể được sử dụng vào các ngày xen kẽ, khi dung dịch cần được nâng từ nhiệt độ môi trường thấp nhất xem xét là 8 °C lên 60 °C trong 2 giờ, và giữ ở nhiệt độ đó trong ngày.
• Khi bể đạt nhiệt độ, một vật thép 500 kg được nhúng mỗi 20 phút mà không tràn bể. (cp = 0,5 kJ/kg °C

Phần 1 - Xác định tốc độ truyền nhiệt trung bình cần thiết trong Q̇M (khởi động)

Phần 1.2 Phương trình Đun nóng vật liệu bể Q̇M (bể)

Phần 1.3 Tổn thất nhiệt từ thành bể Q̇M (thành)

Phần 1.4 Tổn thất nhiệt từ bề mặt chất lỏng Q̇M (bề mặt)

Phần 1.5 Tổng yêu cầu truyền nhiệt trung bình Q̇M (khởi động)

Phần 2 - Xác định tải vận hành, tức là tốc độ truyền nhiệt tối đa cần thiết trong quá trình vận hành Q̇(vận hành)

Trong điều kiện vận hành, chất lỏng và bể (A1 và A2, trang 2.9.6) đã đạt nhiệt độ làm việc, vì vậy các thành phần đun nóng = 0. Trong điều kiện vận hành, tổn thất nhiệt từ chất lỏng và bể (A3 và A4) sẽ lớn hơn. Điều này là do sự khác biệt lớn hơn giữa nhiệt độ chất lỏng, bể và môi trường xung quanh. Nhúng vật vào chất lỏng rõ ràng là mục tiêu của quy trình, vì vậy tải nhiệt này phải được tính và cộng vào tổn thất nhiệt tải vận hành.

Phần 2.1 Tổn thất nhiệt từ thành bể

Phần 2.2 Tổn thất nhiệt từ bề mặt chất lỏng Q̇(bề mặt)

Phần 2.3 Đun nóng vật thép nhúng trong bể Q̇(vật)

Phần 2.4 Tổng yêu cầu truyền nhiệt trung bình Q̇(vận hành)(Tải vận hành)

Lưu ý rằng yêu cầu năng lượng vận hành (59 kW) ít hơn đáng kể so với yêu cầu năng lượng khởi động (367 kW). Điều này là điển hình, và nếu có thể, thời gian khởi động có thể được kéo dài.

Điều này sẽ có hiệu quả giảm lưu lượng năng lượng tối đa và có lợi ích là san bằng nhu cầu trên lò hơi, và giảm nhu cầu cho hệ thống kiểm soát nhiệt độ. Đối với bể vận hành liên tục, thường chỉ cần tính toán yêu cầu vận hành tức là các phép tính Phần 2.