Truyền nhiệt

Hơi thường được tạo ra để cung cấp truyền nhiệt cho quá trình. Các chế độ truyền nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ) trong hoặc giữa các môi trường được giải thích, cùng với các phép tính và các vấn đề khác như rào cản truyền nhiệt.

Trong hệ thống gia nhiệt bằng hơi, mục đích duy nhất của việc tạo ra và phân phối hơi là cung cấp nhiệt tại bề mặt truyền nhiệt của quá trình. Nếu tốc độ đầu vào nhiệt cần thiết và áp suất hơi được biết, thì tốc độ tiêu thụ hơi cần thiết có thể được xác định. Điều này sẽ cho phép xác định kích thước của lò hơi và hệ thống phân phối hơi.

Bất cứ khi nào có gradient nhiệt độ, dù trong một phương tiện hoặc giữa các phương tiện, sự truyền nhiệt sẽ xảy ra. Điều này có thể dưới dạng dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ.

Dẫn nhiệt

Khi gradient nhiệt độ tồn tại trong chất rắn hoặc chất lỏng tĩnh, sự truyền nhiệt xảy ra được gọi là dẫn nhiệt. Khi các phân tử lân cận trong chất lỏng va chạm, năng lượng được truyền từ phân tử có năng lượng cao hơn sang phân tử có năng lượng thấp hơn. Bởi vì nhiệt độ cao hơn liên quan đến năng lượng phân tử cao hơn, dẫn nhiệt phải xảy ra theo hướng giảm nhiệt độ. Hiện tượng này có thể được thấy trong cả chất lỏng và chất khí. Tuy nhiên, trong chất lỏng, tương tác phân tử mạnh hơn và thường xuyên hơn, vì các phân tử gần nhau hơn. Trong chất rắn, dẫn nhiệt được gây ra bởi hoạt động nguyên tử của dao động mạng như giải thích trong Mô-đun 2.2. Phương trình được sử dụng để biểu thị truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt được gọi là Định luật Fourier. Ở nơi có phân bố nhiệt độ tuyến tính trong điều kiện trạng thái ổn định, đối với tường phẳng một chiều nó có thể được viết là:

Ví dụ 2.5.1

Xem xét một tường phẳng được xây bằng sắt đặc với độ dẫn nhiệt 70 W/m °C, và độ dày 25 mm. Nó có diện tích bề mặt 0.3 m x 0.5 m, với nhiệt độ 150 °C ở một mặt và 80 °C ở mặt kia.

Độ dẫn nhiệt là đặc tính của vật liệu tường và phụ thuộc vào nhiệt độ. Bảng 2.5.1 cho thấy sự thay đổi của độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ cho các kim loại thông thường khác nhau.

Bảng 2.5.1 độ dẫn nhiệt (W/m °C)

Xem xét cơ chế truyền nhiệt trong dẫn nhiệt, nói chung độ dẫn nhiệt của chất rắn sẽ lớn hơn nhiều so với chất lỏng, và độ dẫn nhiệt của chất lỏng sẽ lớn hơn chất khí. Không khí có độ dẫn nhiệt đặc biệt thấp và đây là lý do tại sao vật liệu cách nhiệt thường có nhiều khoảng trống chứa không khí.

Đối lưu

Sự truyền năng lượng nhiệt giữa bề mặt và chất lỏng đang chuyển động ở nhiệt độ khác nhau được gọi là đối lưu. Nó thực sự là sự kết hợp của cơ chế khuếch tán và chuyển động khối của phân tử. Gần bề mặt nơi vận tốc chất lỏng thấp, khuếch tán (hoặc chuyển động phân tử ngẫu nhiên) chiếm ưu thế. Tuy nhiên, khi di chuyển ra xa bề mặt, chuyển động khối có ảnh hưởng ngày càng tăng. Truyền nhiệt đối lưu có thể ở dạng đối lưu cưỡng bức hoặc đối lưu tự nhiên. Đối lưu cưỡng bức xảy ra khi dòng chảy chất lỏng được gây ra bởi lực bên ngoài, như máy bơm hoặc bộ khuấy.

Ngược lại, đối lưu tự nhiên được gây ra bởi lực nổi, do sự khác biệt mật độ phát sinh từ biến đổi nhiệt độ trong chất lỏng. Sự truyền năng lượng nhiệt gây ra bởi thay đổi pha, chẳng hạn như sôi hoặc ngưng tụ, cũng được gọi là quá trình truyền nhiệt đối lưu. Phương trình cho đối lưu được biểu thị bằng Phương trình 2.5.2 là một dẫn xuất của Định luật làm nguội của Newton:

Ví dụ 2.5.2

Xem xét một bề mặt phẳng 0.4 m x 0.9 m ở nhiệt độ 20 °C. Chất lỏng chảy qua bề mặt với nhiệt độ khối 50 °C. Hệ số truyền nhiệt đối lưu (h) là 1 600 W/m² °C.

Bức xạ

Truyền nhiệt do sự phát xạ năng lượng từ bề mặt dưới dạng sóng điện từ được gọi là bức xạ nhiệt. Trong trường hợp không có môi trường can thiệp, có sự truyền nhiệt ròng giữa hai bề mặt có nhiệt độ khác nhau. Dạng truyền nhiệt này không phụ thuộc vào môi trường vật chất, và thực tế hiệu quả nhất trong chân không.

Trong hầu hết các tình huống thực tế, rất hiếm khi tất cả năng lượng được truyền bằng một chế độ truyền nhiệt đơn lẻ. Quá trình truyền nhiệt tổng thể thường là sự kết hợp của hai hoặc nhiều cơ chế khác nhau.

Phương trình tổng quát được sử dụng để tính truyền nhiệt qua bề mặt được sử dụng trong quy trình thiết kế và tạo thành một phần của lý thuyết trao đổi nhiệt là:

Hệ số truyền nhiệt tổng quát (U)

Hệ số này tính đến cả trở kháng dẫn nhiệt và đối lưu giữa hai chất lỏng được ngăn cách bởi tường rắn. Hệ số truyền nhiệt tổng quát là nghịch đảo của trở kháng truyền nhiệt tổng thể, là tổng của các trở kháng riêng lẻ. Hệ số truyền nhiệt tổng quát cũng có thể tính đến mức độ bám bẩn trong quá trình truyền nhiệt. Sự lắng đọng lớp màng hoặc cặn trên bề mặt truyền nhiệt sẽ giảm đáng kể tốc độ truyền nhiệt. Hệ số bám bẩn đại diện cho trở kháng nhiệt bổ sung do tạp chất trong chất lỏng, sự hình thành rỉ sét hoặc các phản ứng khác giữa chất lỏng và thành tường. Độ lớn của các hệ số riêng lẻ sẽ phụ thuộc vào bản chất của quá trình truyền nhiệt, tính chất vật lý của chất lỏng, lưu lượng chất lỏng và bố trí vật lý của bề mặt truyền nhiệt. Vì bố trí vật lý không thể được thiết lập cho đến khi diện tích truyền nhiệt được xác định, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt tất yếu là một quy trình lặp. Điểm khởi đầu cho quy trình này thường liên quan đến việc chọn các giá trị điển hình cho hệ số truyền nhiệt tổng quát của các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau. Phần tính toán chính xác cho các hệ số truyền nhiệt riêng lẻ là một quy trình phức tạp, và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện được do một số tham số chưa biết. Do đó, việc sử dụng các giá trị điển hình đã được thiết lập của hệ số truyền nhiệt tổng quát sẽ phù hợp cho các mục đích thực tế.

Chênh lệch nhiệt độ (ΔT)

Định luật làm nguội của Newton phát biểu rằng tốc độ truyền nhiệt liên quan đến chênh lệch nhiệt độ tức thời giữa môi trường nóng và lạnh. Trong quá trình truyền nhiệt, chênh lệch nhiệt độ này sẽ thay đổi theo vị trí hoặc theo thời gian. Phương trình truyền nhiệt tổng quát do đó được phát triển như một phần mở rộng của định luật làm nguội của Newton, trong đó chênh lệch nhiệt độ trung bình được sử dụng để thiết lập diện tích truyền nhiệt cần thiết cho một nhiệm vụ nhiệt nhất định.

Chênh lệch nhiệt độ trung bình (∆TM)

Việc xác định chênh lệch nhiệt độ trung bình trong quá trình dòng chảy như thiết bị trao đổi nhiệt sẽ phụ thuộc vào hướng dòng chảy. Chất lỏng sơ cấp và thứ cấp có thể chảy theo cùng hướng (dòng chảy song song/dòng chảy đồng hướng), theo hướng ngược lại (dòng chảy ngược), hoặc vuông góc với nhau (dòng chảy ngang). Khi hơi bão hòa được sử dụng, nhiệt độ chất lỏng sơ cấp có thể được coi là không đổi, vì nhiệt được truyền do kết quả của sự thay đổi pha duy nhất. Kết quả là biểu đồ nhiệt độ không còn phụ thuộc vào hướng dòng chảy. Tuy nhiên, khi chất lỏng thứ cấp đi qua bề mặt truyền nhiệt, tốc độ truyền nhiệt cao nhất xảy ra tại đầu vào và giảm dần theo hành trình đến đầu ra. Điều này đơn giản là vì chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và chất lỏng thứ cấp giảm khi nhiệt độ thứ cấp tăng. Biểu đồ nhiệt độ kết quả của hơi và chất lỏng thứ cấp thường như thể hiện trong Hình 2.5.1.

Sự tăng nhiệt độ thứ cấp là không tuyến tính và được thể hiện tốt nhất bằng phép tính logarit. Cho mục đích này, chênh lệch nhiệt độ trung bình được chọn gọi là Chênh lệch Nhiệt độ Trung bình Logarit hoặc LMTD hoặc ΔTLM.

Cách dễ hơn (nhưng kém chính xác hơn) để tính chênh lệch nhiệt độ trung bình là xem xét Chênh lệch Nhiệt độ Trung bình Số học hoặc AMTD hoặc ΔTAM. Cách này xem xét sự tăng tuyến tính của nhiệt độ chất lỏng thứ cấp và cho các phép tính thủ công nhanh, thường sẽ cho phép xấp xỉ thỏa đáng của chênh lệch nhiệt độ trung bình để sử dụng trong Phương trình 2.5.3. Biểu đồ nhiệt độ AMTD được thể hiện trong Hình 2.5.2.

Đối với hơi, ở đâu nhiệt độ chất lỏng sơ cấp (hơi) vẫn không đổi, phương trình này có thể được đơn giản hóa thành:

Bởi vì không có thay đổi nhiệt độ ở phía hơi, AMTD thường cung cấp phân tích thỏa đáng của quá trình truyền nhiệt, dễ thao tác trong các phép tính thủ công.

Tuy nhiên, chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit cũng có thể được sử dụng, tính đến sự thay đổi không tuyến tính của nhiệt độ chất lỏng thứ cấp.

Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (LMTD):​

Cả Phương trình 2.5.4 và 2.5.5 đều giả sử không có thay đổi trong nhiệt dung riêng hoặc hệ số truyền nhiệt tổng quát, và không có tổn thất nhiệt. Trong thực tế, nhiệt dung riêng có thể thay đổi do biến đổi nhiệt độ. Hệ số truyền nhiệt tổng quát cũng có thể thay đổi do biến đổi tính chất chất lỏng và điều kiện dòng chảy. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng, độ lệch sẽ gần như không đáng kể và việc sử dụng giá trị trung bình sẽ hoàn toàn chấp nhận được. Trong nhiều trường hợp, thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được cách nhiệt khỏi môi trường xung quanh, nhưng cách nhiệt sẽ không hiệu quả 100%. Do đó, năng lượng truyền giữa hơi và chất lỏng thứ cấp có thể không đại diện cho tất cả nhiệt mất từ chất lỏng sơ cấp.

Ví dụ 2.5.3

Hơi ở 2 bar g được sử dụng để gia nhiệt nước từ 20 °C lên 50 °C. Nhiệt độ bão hòa của hơi ở 2 bar g là 134 °C. Xác định chênh lệch nhiệt độ trung bình số học và logarit:

Trong ví dụ này, AMTD và LMTD có giá trị tương tự. Điều này là do sự tăng nhiệt độ chất lỏng thứ cấp nhỏ so với chênh lệch nhiệt độ giữa hai chất lỏng.

Ví dụ 2.5.4

Xem xét một bể quá trình chịu áp suất, được gia nhiệt từ 10 °C lên 120 °C sử dụng hơi ở 4.0 bar g. Nhiệt độ bão hòa của hơi ở 4.0 bar g là 152 °C. Xác định chênh lệch nhiệt độ trung bình số học và logarit:

Bởi vì sự tăng nhiệt độ chất lỏng thứ cấp lớn so với chênh lệch nhiệt độ giữa hai chất lỏng, sự khác biệt giữa hai kết quả đáng kể hơn.

Bằng cách sử dụng AMTD thay vì LMTD, diện tích truyền nhiệt được tính sẽ gần như nhỏ hơn 15% so với yêu cầu.

Rào cản truyền nhiệt

Tường kim loại có thể không phải là rào cản duy nhất trong quá trình truyền nhiệt. Có khả năng có một màng không khí, ngưng tụ và cặn ở phía hơi. Ở phía sản phẩm cũng có thể có sản phẩm bám hoặc cặn, và một màng sản phẩm tĩnh. Khuấy sản phẩm có thể loại bỏ hiệu ứng của màng tĩnh, trong khi vệ sinh thường xuyên ở phía sản phẩm sẽ giảm cặn. Vệ sinh thường xuyên bề mặt ở phía hơi cũng có thể tăng tốc độ truyền nhiệt bằng cách giảm độ dày của bất kỳ lớp cặn nào, tuy nhiên, điều này có thể không phải lúc nào cũng khả thi. Lớp này cũng có thể được giảm bằng cách chú ý cẩn thận đến hoạt động đúng của lò hơi, và loại bỏ các giọt nước mang tạp chất từ lò hơi.

Ngưng tụ dạng màng

Việc loại bỏ màng ngưng tụ không đơn giản như vậy. Khi hơi ngưng tụ để nhả entanpi bay hơi, các giọt nước có thể hình thành trên bề mặt truyền nhiệt. Các giọt này sau đó có thể hợp nhất với nhau để tạo thành màng ngưng tụ liên tục. Màng ngưng tụ có thể có sức cản truyền nhiệt gấp 100 đến 150 lần so với bề mặt gia nhiệt bằng thép, và gấp 500 đến 600 lần so với đồng.

Ngưng tụ dạng giọt

Nếu các giọt nước trên bề mặt truyền nhiệt không hợp nhất ngay lập tức và không hình thành màng ngưng tụ liên tục, ngưng tụ ‘dạng giọt’ xảy ra. Tốc độ truyền nhiệt có thể đạt được trong quá trình ngưng tụ dạng giọt, thường cao hơn nhiều so với ngưng tụ dạng màng. Vì phần lớn hơn của bề mặt truyền nhiệt được tiếp xúc trong quá trình ngưng tụ dạng giọt, hệ số truyền nhiệt có thể lên đến gấp mười lần so với ngưng tụ dạng màng. Trong thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt mà ngưng tụ dạng giọt được thúc đẩy, trở kháng nhiệt mà nó tạo ra thường không đáng kể so với các rào cản truyền nhiệt khác. Tuy nhiên, duy trì các điều kiện phù hợp cho ngưng tụ dạng giọt đã chứng minh là rất khó đạt được. Nếu bề mặt được phủ một chất ức chế thấm ướt, có thể duy trì ngưng tụ dạng giọt trong một thời gian. Cho mục đích này, một loạt các lớp phủ bề mặt như Silicon, PTFE và các loại sáp và axit béo đôi khi được áp dụng lên bề mặt trong thiết bị trao đổi nhiệt mà ngưng tụ cần được thúc đẩy. Tuy nhiên, các lớp phủ này sẽ dần mất hiệu quả do các quá trình như oxy hóa hoặc bám bẩn, và ngưng tụ dạng màng cuối cùng sẽ chiếm ưu thế. Vì không khí là chất cách nhiệt tốt, nó cung cấp sức cản truyền nhiệt thậm chí còn lớn hơn. Không khí có thể có sức cản dòng nhiệt lớn hơn thép từ 1 500 đến 3 000 lần, và lớn hơn đồng từ 8 000 đến 16 000 lần. Điều này có nghĩa là màng không khí chỉ dày 0.025 mm có thể cản nhiều nhiệt như tường đồng dày 400 mm! Tất nhiên tất cả các mối quan hệ so sánh này phụ thuộc vào biểu đồ nhiệt độ qua mỗi lớp. Hình 2.5.4 minh họa hiệu ứng mà sự kết hợp các lớp này có lên quá trình truyền nhiệt. Các rào cản truyền nhiệt này không chỉ tăng độ dày của toàn bộ lớp dẫn nhiệt, mà còn giảm đáng kể độ dẫn nhiệt trung bình của lớp. Lớp càng cản dòng nhiệt, gradient nhiệt độ càng lớn. Điều này có nghĩa là để đạt được nhiệt độ sản phẩm mong muốn, áp suất hơi có thể cần phải cao hơn đáng kể. Sự hiện diện của màng không khí và nước trên bề mặt truyền nhiệt của các ứng dụng gia nhiệt quá trình hoặc không gian là không hiếm. Nó xảy ra trong tất cả các đơn vị quá trình gia nhiệt bằng hơi ở mức độ nào đó. Để đạt được sản lượng sản phẩm mong muốn và giảm thiểu chi phí vận hành hơi quá trình, hiệu suất gia nhiệt cao có thể được duy trì bằng cách giảm độ dày các màng trên bề mặt ngưng tụ. Trong thực tế, không khí thường có ảnh hưởng đáng kể nhất đến hiệu suất truyền nhiệt, và việc loại bỏ nó khỏi hơi cung cấp sẽ tăng hiệu suất gia nhiệt.

Định nghĩa hệ số truyền nhiệt tổng quát (giá trị U)

Năm thuật ngữ liên quan chính thường gặp liên quan đến chủ đề truyền nhiệt là:

1. Tốc độ dòng nhiệt Q̇ (W)
2. Độ dẫn nhiệt k (W/m °C)
3. Độ cản nhiệt r (m °C/W)
4. Trở kháng nhiệt R (m2 °C/W)
5. Độ truyền nhiệt U (W/m2 °C) Phần văn bản sau đây trong Mô-đun này mô tả chúng và cách chúng liên quan với nhau. Phương pháp truyền thống để tính truyền nhiệt qua tường phẳng xem xét việc sử dụng hệ số truyền nhiệt tổng quát ‘U’, hoặc chính xác hơn, độ truyền nhiệt tổng thể giữa một mặt của tường và mặt kia. Giá trị U được trích dẫn cho nhiều loại và kết hợp vật liệu và chất lỏng khác nhau và thường bị ảnh hưởng bởi dữ liệu thực nghiệm và kinh nghiệm vận hành. Các màng ngưng tụ, không khí, cặn và sản phẩm ở hai bên tường kim loại có thể có ảnh hưởng đáng kể đến độ truyền nhiệt tổng thể và vì điều này, đáng để xem xét toàn bộ vấn đề truyền nhiệt qua tường phẳng đơn giản và sau đó là rào cản nhiều lớp.

Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt qua tường phẳng đơn giản

Cách tốt để bắt đầu là xem xét trường hợp đơn giản nhất, một tường kim loại có tính chất nhiệt đồng nhất và nhiệt độ bề mặt được chỉ định.

T1 và T2 là nhiệt độ bề mặt hai bên của tường kim loại, có độ dày L; và chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt là ΔT.

Bỏ qua trở kháng dòng chảy nhiệt có thể có tại hai bề mặt, quá trình dòng nhiệt qua tường có thể được suy ra từ định luật dẫn nhiệt của Fourier như thể hiện trong Phương trình 2.5.1. Thuật ngữ ‘rào cản’ đề cập đến màng cản nhiệt hoặc tường kim loại của thiết bị trao đổi nhiệt.

Có thể thấy từ định nghĩa của chúng trong Phương trình 2.5.6 rằng χ/k là độ dày của rào cản chia cho tính chất nội tại là độ dẫn nhiệt. Số học đơn giản quy định rằng nếu độ dài (χ) của rào cản tăng, giá trị χ/k sẽ tăng, và nếu giá trị độ dẫn nhiệt (k) của rào cản tăng, thì giá trị χ/k sẽ giảm. Một đặc tính sẽ hành xử theo cách này là trở kháng nhiệt.

Nếu độ dài rào cản tăng, sức cản dòng nhiệt tăng; và nếu độ dẫn nhiệt của vật liệu rào cản tăng, sức cản dòng nhiệt giảm. Có thể kết luận rằng biểu thức χ/k trong Phương trình 2.5.6 liên quan đến trở kháng nhiệt của rào cản có độ dài đã biết. Kết quả của lý thuyết điện đơn giản song song với các phương trình liên quan đến dòng nhiệt. Đặc biệt, khái niệm cộng các trở kháng nối tiếp là khả thi, và là công cụ hữu ích khi phân tích truyền nhiệt qua rào cản nhiều lớp, như sẽ thấy trong phần sau của mô-đun này. Phương trình 2.5.6 bây giờ có thể được diễn đạt lại theo trở kháng nhiệt, trong đó:

như thể hiện trong Phương trình 2.5.7

Trở kháng nhiệt biểu thị đặc tính của một rào cản cụ thể, và sẽ thay đổi theo độ dày và độ dẫn nhiệt của nó.

Ngược lại, khả năng cản dòng nhiệt của rào cản không thay đổi, vì đây là tính chất vật lý của vật liệu rào cản. Tính chất này được gọi là ‘độ cản nhiệt’; nó là nghịch đảo của độ dẫn nhiệt và được thể hiện trong Phương trình 2.5.8.

Liên hệ trở kháng tổng thể với giá trị U tổng thể

Vấn đề thường phải giải quyết trong các ứng dụng truyền nhiệt là tốc độ truyền nhiệt, và điều này có thể thấy từ công thức truyền nhiệt tổng quát, Phương trình 2.5.3.

Dòng nhiệt qua rào cản nhiều lớp

Như thấy trong Hình 2.5.4, ứng dụng thực tế sẽ là tường kim loại của ống hoặc tấm thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng hơi ở một mặt để gia nhiệt nước ở mặt kia. Cũng có thể thấy rằng nhiều rào cản khác có mặt làm chậm dòng nhiệt, như màng không khí, màng ngưng tụ, màng cặn, và màng nước thứ cấp tĩnh ngay cạnh bề mặt gia nhiệt. Các màng này có thể được xem là ‘bám bẩn’ dòng nhiệt qua rào cản, và do đó các trở kháng này được các nhà thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt xem là ‘hệ số bám bẩn’. Tất cả các màng này, ngoài trở kháng của tường kim loại, tạo thành sức cản đối với dòng nhiệt và, như trong mạch điện, các trở kháng này có thể được cộng lại để tạo thành trở kháng tổng thể. Do đó:

Vì trở kháng là χ/k như thể hiện trong Phương trình 2.5.6, thì Phương trình 2.5.10 có thể được viết lại thành Phương trình 2.5.11:

Bảng 2.5.2 Độ dẫn nhiệt điển hình của các vật liệu khác nhau

Độ dẫn nhiệt sẽ thay đổi tùy thuộc vào vật liệu màng (và nhiệt độ). Ví dụ, không khí roughly có sức cản dòng nhiệt gấp ba mươi lần nước. Vì lý do này, việc loại bỏ không khí khỏi nguồn cung cấp hơi trước khi nó đến thiết bị trao đổi nhiệt tương đối quan trọng hơn việc loại bỏ nước dưới dạng hơi ướt. Tất nhiên, vẫn hợp lý để loại bỏ hơi ướt cùng lúc.

Sức cản của không khí so với thép roughly gấp hai nghìn lần, và sức cản của không khí so với đồng roughly gấp hai mươi nghìn lần. Bởi vì sức cản cao của không khí và nước so với thép và đồng, hiệu ứng của độ dày nhỏ của không khí và nước lên trở kháng tổng thể đối với dòng nhiệt có thể tương đối lớn. Không có ích gì khi thay đổi hệ thống truyền nhiệt bằng thép sang đồng nếu màng không khí và nước vẫn còn; sẽ có ít cải thiện về hiệu suất, như sẽ được chứng minh trong Ví dụ 2.5.5. Màng không khí và nước ở phía hơi có thể được loại bỏ bằng kỹ thuật thực hành tốt đơn giản bằng cách lắp bộ tách và bộ bẫy phao trong nguồn cung cấp hơi trước van điều khiển. Màng cặn ở phía hơi cũng có thể được giảm bằng cách lắp bộ lọc trong cùng đường ống. Cặn ở phía sản phẩm khó xử lý hơn một chút, nhưng vệ sinh thường xuyên thiết bị trao đổi nhiệt đôi khi là giải pháp cho vấn đề này. Một cách khác để giảm cặn là vận hành thiết bị trao đổi nhiệt ở áp suất hơi thấp hơn; điều này giảm nhiệt độ hơi và xu hướng hình thành cặn từ sản phẩm, đặc biệt nếu sản phẩm là dung dịch như sữa.

Ví dụ 2.5.5

Xem xét thiết bị trao đổi nhiệt từ hơi sang nước mà màng không khí, màng ngưng tụ và cặn ở phía hơi dày 0.2 mm; ở phía nước, màng nước và cặn dày lần lượt 0.05 mm và 0.1 mm. Độ dày của bề mặt gia nhiệt bằng tường thép là 6 mm.

Bảng 2.5.3 Trở kháng của các rào cản bao gồm ống thép

Từ Phương trình 2.5.6: 1. Tính giá trị U tổng thể (U1) từ các điều kiện thể hiện trong Bảng 2.5.3

2. Loại bỏ không khí và ngưng tụ khỏi nguồn cung cấp hơi

Bây giờ xem xét cùng thiết bị trao đổi nhiệt mà không khí và ngưng tụ đã được loại bỏ bởi bộ tách trong nguồn cung cấp hơi.

Tính U2

Có thể thấy từ U2 rằng bằng cách lắp bộ tách trong nguồn cung cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt này, và giả sử tất cả không khí và ngưng tụ đã được loại bỏ khỏi hơi, độ truyền nhiệt lớn hơn 11 lần so với giá trị ban đầu. 3. Loại bỏ cặn ở phía hơi và nước Bây giờ xem xét giảm cặn ở phía hơi bằng cách lắp bộ lọc trong đường hơi, và giảm cặn ở phía nước bằng cách vận hành ở áp suất hơi thấp hơn. Tính U3

Độ truyền nhiệt đã tăng thêm bốn lần bằng cách loại bỏ cặn. 4. Quay lại điều kiện ban đầu nhưng thay đổi từ ống thép sang ống đồng cùng độ dày.

Bảng 2.5.4 Trở kháng của các rào cản bao gồm ống đồng

Tính U4

Có thể thấy rằng độ dẫn nhiệt lớn hơn mà đồng cung cấp so với thép đã tạo ra rất ít sự khác biệt đối với độ truyền nhiệt tổng thể của thiết bị trao đổi nhiệt, do hiệu ứng chi phối của không khí và các hệ số bám bẩn khác.

Xin lưu ý rằng, trong thực tế, các yếu tố khác sẽ ảnh hưởng đến giá trị U tổng thể, như vận tốc của hơi và nước đi qua các ống hoặc tấm của thiết bị trao đổi nhiệt, và sự kết hợp của truyền nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Ngoài ra, không chắc rằng việc lắp bộ tách và bộ lọc sẽ loại bỏ hoàn toàn sự hiện diện của không khí, hơi ướt và cặn từ bên trong thiết bị trao đổi nhiệt. Các phép tính trên chỉ được trình bày để nhấn mạnh tác động của chúng lên truyền nhiệt. Tuy nhiên, bất kỳ nỗ lực nào để loại bỏ các rào cản như vậy khỏi hệ thống sẽ thường thành công, và gần như được đảm bảo sẽ tăng truyền nhiệt trong thiết bị và thiết bị gia nhiệt bằng hơi ngay khi điều này được thực hiện. Thay vì phải tính toán các trở kháng riêng lẻ của màng rào cản, có các bảng cho thấy giá trị U tổng thể cho các loại ứng dụng trao đổi nhiệt khác nhau như gia nhiệt nước hoặc dầu bằng cuộn hơi. Chúng được ghi chép trong Mô-đun 2.10, ‘Gia nhiệt bằng cuộn và áo jacket’. Giá trị U cho thiết bị trao đổi nhiệt thay đổi đáng kể do các yếu tố như thiết kế (‘vỏ và ống’ hoặc ‘tấm và khung’), vật liệu chế tạo, và loại chất lỏng liên quan đến chức năng truyền nhiệt.