Gia nhiệt thùng và bể bằng phun hơi

Phun hơi trực tiếp liên quan đến việc xả các bọt hơi vào chất lỏng ở nhiệt độ thấp hơn để truyền nhiệt. Hướng dẫn này giải thích quy trình và các phương pháp sử dụng, bao gồm các phép tính truyền nhiệt liên quan.

Phun hơi trực tiếp liên quan đến việc xả một loạt bọt hơi vào chất lỏng ở nhiệt độ thấp hơn. Các bọt hơi ngưng tụ và nhả nhiệt cho chất lỏng xung quanh. Nhiệt được truyền bằng tiếp xúc trực tiếp giữa hơi và chất lỏng, do đó phương pháp này chỉ được sử dụng khi pha loãng và tăng khối lượng chất lỏng là chấp nhận được. Do đó, chất lỏng được gia nhiệt thường là nước. Phun hơi trực tiếp hiếm khi được sử dụng để gia nhiệt dung dịch trong đó phản ứng hóa học xảy ra, vì pha loãng dung dịch sẽ giảm tốc độ phản ứng và giảm năng suất. Phun hơi trực tiếp là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để gia nhiệt bể cấp liệu lò hơi trong toàn bộ ngành công nghiệp. Phương pháp này thường được chọn vì sự đơn giản của nó. Không cần bề mặt truyền nhiệt hoặc bộ bẫy hơi, và không cần phải xem xét hệ thống hồi ngưng tụ.

Phần tính toán tiêu thụ hơi

Trong quá trình phun hơi trực tiếp, nhiệt được truyền theo cách khác với trao đổi nhiệt gián tiếp. Vì nhiệt không được truyền qua bề mặt, và hơi trộn tự do với chất lỏng quá trình đang được gia nhiệt, lượng nhiệt sử dụng được trong hơi phải được tính theo cách khác. Điều này có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng Phương trình 2.11.1:

Phương trình 2.11.1 cho thấy phun hơi sử dụng toàn bộ entanpi bay hơi (hoặc nhiệt ẩn) và một phần entanpi lỏng chứa trong hơi. Phần thực tế của entanpi lỏng được sử dụng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ của nước vào cuối quá trình phun.

Một khác biệt lớn giữa gia nhiệt gián tiếp và phun hơi trực tiếp là thể tích (và khối lượng) của chất lỏng quá trình tăng lên khi hơi được thêm vào, bằng lượng hơi được phun. Một khác biệt khác là, khi tính toán lưu lượng hơi cho cuộn hơi, áp suất trong cuộn được xem xét, nhưng đối với phun hơi, áp suất trước van điều khiển được xem xét. Trong một số trường hợp (khi bề mặt chất lỏng không ở mức ống tràn), điều này sẽ tăng cột chất lỏng trên bộ phun theo thời gian. Tuy nhiên, sự gia tăng này có thể nhỏ và hiếm khi được tính đến trong các phép tính.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt

Trong Phương trình 2.11.1, tốc độ tiêu thụ hơi liên quan trực tiếp đến nhu cầu nhiệt. Trừ khi hệ thống phun hơi được thiết kế sao cho tất cả điều kiện đều thuận lợi cho truyền nhiệt tối đa, các bọt hơi có thể đơn giản là phá vỡ bề mặt chất lỏng và thoát ra khí quyển; một phần nhiệt chứa trong hơi sẽ mất vào khí quyển và tốc độ truyền nhiệt thực tế cho nước sẽ thấp hơn dự kiến. Trong trường hợp cuộn ngập, tốc độ truyền nhiệt tối đa vào đầu thời kỳ khởi động sẽ phụ thuộc vào lưu lượng hơi tối đa cho phép qua van điều khiển và ống dẫn liên quan, và đầu ra nhiệt tối đa cho phép bởi diện tích bề mặt cuộn. Trong quá trình phun hơi trực tiếp, có thể mong đợi rằng tốc độ truyền nhiệt tối đa ngay tại đầu thời kỳ khởi động phụ thuộc vào lưu lượng tối đa qua van điều khiển, và bản thân ống hoặc bộ phun. Tuy nhiên, như đã ngụ ý ở trên, nó cũng sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác như:

• Kích thước bọt hơi Ngưng tụ của bọt hơi sẽ phụ thuộc vào sự truyền nhiệt qua bề mặt bọt. Để đảm bảo rằng bọt hơi được ngưng tụ hoàn toàn, tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích phải càng lớn càng tốt. Bọt nhỏ có diện tích bề mặt trên mỗi đơn vị thể tích lớn hơn bọt lớn, vì vậy mong muốn tạo ra bọt rất nhỏ. Chênh lệch áp suất (giữa ống hơi và điểm hơi được xả vào nước) khi bọt nổi lên cũng sẽ ảnh hưởng đến kích thước bọt hơi. Thể tích riêng của hơi sẽ tăng khi áp suất giảm, sao cho giảm áp suất sẽ tăng kích thước bọt hơi khi nó thoát vào chất lỏng. Ngay cả khi bọt hơi phát ra từ lỗ rất nhỏ, bọt có thể tăng đáng kể về kích thước nếu áp suất hơi cao. Do đó, áp suất thấp hơn trong ống phun tốt hơn.
• Cột chất lỏng trên điểm phun Cột chất lỏng trên điểm phun sẽ tạo ra phản áp sao cho chênh lệch áp suất sẽ nhỏ hơn áp suất hơi. Nếu cột chất lỏng lớn và áp suất hơi trong ống phun thấp, có thể chỉ có thay đổi áp suất rất nhỏ sao cho kích thước bọt hình thành được giữ ở mức tối thiểu. Cột chất lỏng lớn hơn trên điểm phun sẽ cho bọt hơi cơ hội tối đa để ngưng tụ trước khi chúng đạt bề mặt.
• Vận tốc bọt Vận tốc bọt tại điểm phun cũng sẽ phụ thuộc vào sự khác biệt giữa áp suất hơi và cột chất lỏng. Mong muốn giữ chênh lệch áp suất này càng thấp càng tốt, sao cho vận tốc bọt cũng thấp nhất có thể và bọt được cho thời gian tối đa để ngưng tụ trước khi đạt bề mặt.
• Nhiệt độ chất lỏng Tốc độ hơi ngưng tụ tỷ lệ trực tiếp với chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và chất lỏng đang được gia nhiệt. Giống như tất cả các quá trình truyền nhiệt, tốc độ trao đổi nhiệt tỷ lệ trực tiếp với hiệu nhiệt độ. Luôn khuyên đảm bảo rằng nhiệt độ chất lỏng được kiểm soát đúng và được giữ ở mức tối thiểu cần thiết cho ứng dụng, sao cho tốc độ truyền nhiệt tối đa được duy trì và không có lãng phí năng lượng.

Đây đơn giản là một ống được lắp bên trong bể, với các lỗ khoan ở các vị trí đều đặn (thường là 4 giờ và 8 giờ) khi nhìn từ đầu, cách đều dọc theo chiều dài ống, và đầu bị bịt kín. Hơi thoát ra khỏi ống qua các lỗ dưới dạng bọt nhỏ, sẽ ngưng tụ như dự định hoặc đạt bề mặt chất lỏng (xem Hình 2.11.1).

Ống phun rẻ tiền để chế tạo và dễ lắp đặt, nhưng dễ gây ra rung động và tiếng ồn mức cao. Phương pháp hiệu quả hơn nhiều là sử dụng bộ phun hơi được thiết kế đúng cách.

Ví dụ 2.11.1 - Xác định tải hơi để gia nhiệt bể nước bằng phun hơi

Các phép tính (bước 1 đến 5) dựa trên Ví dụ 2.9.1 và 2.10.1 về tổn thất nhiệt, nhưng với bể chứa nước (cp = 4.19 kJ/kg °C), thay vì dung dịch axit yếu và nước được gia nhiệt bằng phun hơi thay vì cuộn hơi. Bước 1 - tìm năng lượng cần thiết để gia nhiệt 12 000 kg nước từ 8°C lên 60°C trong 2 giờ bằng cách sử dụng Phương trình 2.6.1:

Hơi được cung cấp cho van điều khiển ở 2.6 bar g. Để tính lưu lượng hơi trung bình, cần xác định tổng entanpi trong hơi (hg) ở áp suất này. Có thể thấy từ Bảng 2.11.1 (trích từ bảng hơi) rằng tổng entanpi của hơi (hg) ở 2.6 bar g là 2733.89 kJ/kg.

Bảng 2.11.1 Trích từ bảng hơi

Bước 2 - tìm lưu lượng hơi trung bình để gia nhiệt nước bằng cách sử dụng Phương trình 2.11.1:

Bước 3 - tìm lưu lượng hơi trung bình để gia nhiệt vật liệu bể (thép). Từ Ví dụ 2.9.1, tốc độ truyền nhiệt trung bình cho vật liệu bể = Q̇(bể) = 14 kW Lưu lượng hơi trung bình để gia nhiệt vật liệu bể được tính bằng cách sử dụng lại Phương trình 2.11.1:

Bước 4 - tìm lưu lượng hơi trung bình để bù đắp tổn thất nhiệt từ bể trong quá trình khởi động. Từ Ví dụ 2.9.1:

Mặc dù hợp lý khi chấp nhận rằng entanpi lỏng của hơi sẽ góp phần vào sự tăng nhiệt độ của nước và vật liệu bể, khó chấp nhận hơn cách entanpi lỏng của hơi sẽ thêm vào nhiệt mất từ bể do bức xạ. Do đó, phương trình tính hơi sử dụng cho tổn thất nhiệt (Phương trình 2.11.2) chỉ xem xét entanpi bay hơi trong hơi ở áp suất khí quyển.

Bước 5 - Xác định tải hơi để gia nhiệt bể nước bằng phun hơi. Tổng lưu lượng hơi trung bình có thể được tính như sau:

Điều quan trọng cần nhớ với hệ thống phun hơi là khối lượng cuối cùng của chất lỏng bằng khối lượng chất lỏng lạnh, cộng với khối lượng hơi được thêm vào.

Trong ví dụ này, quá trình bắt đầu với 12 000 kg nước. Trong thời kỳ gia nhiệt yêu cầu 2 giờ, hơi đã được phun với tốc độ 569 kg/h. Khối lượng chất lỏng do đó đã tăng 2 h x 569 kg/h = 1 138 kg. Khối lượng cuối cùng của chất lỏng là: 12 000 kg + 1 138 kg = 13 138 kg 1138 kg ngưng tụ bổ sung có thể tích khoảng 1 138 lít (1.138 m³) và cũng sẽ tăng mức nước lên:

Rõ ràng, bể quá trình cần có đủ không gian phía trên mức nước ban đầu để cho phép tăng này. Để an toàn, ống tràn nên luôn được bao gồm trong kết cấu bể ở đâu có phun hơi.

Tương tự, nếu yêu cầu quá trình là kết thúc với khối lượng 12 000 kg, khối lượng nước ở đầu quá trình sẽ là:

Một giải pháp thay thế hiệu quả hơn cho ống phun là bộ phun hơi như thể hiện trong Hình 2.11.3. Bộ phun hút nước lạnh và trộn nó với hơi bên trong bộ phun, phân phối chất lỏng đã gia nhiệt vào bể.

Thiết kế kỹ thuật của thân bộ phun tinh vi hơn ống phun đơn giản, và cho phép sử dụng hơi ở áp suất cao hơn. Vùng rối loạn được tạo ra bên trong thân bộ phun, đảm bảo rằng trộn kỹ hơi và chất lỏng xảy ra, ngay cả ở áp suất tương đối cao. Điều này có hiệu ứng khuấy và tuần hoàn chất lỏng sao cho nhiệt độ không đổi được duy trì throughout bể, mà không có phân tầng nhiệt độ hoặc điểm lạnh.

Các bộ phun này nhỏ gọn hơn ống phun, do đó có thể tránh bất kỳ sự can thiệp nào với các vật thể có thể được nhúng vào bể. Chúng bền hơn và thường yên tĩnh hơn ống phun, mặc dù vấn đề tiếng ồn vẫn có thể gặp phải nếu không được lắp đặt đúng cách.

Tiếng ồn liên quan đến bộ phun hơi

Khi sử dụng bộ phun hơi áp suất cao, ba mức tiếng ồn riêng biệt được tạo ra trong các điều kiện sau:

• Vận hành bình thường Ở đâu áp suất hơi tại đầu vào bộ phun trên 2 bar g, tiếng ồn tạo ra trong điều kiện vận hành bình thường có thể được mô tả như tiếng gầm nhẹ. Tiếng ồn do ngưng tụ hơi bên trong ống xả, khi nó trộn với nước tuần hoàn được hút qua lỗ vào thân đúc. Trong điều kiện bình thường, đầu ra từ ống bộ phun nóng hơn khoảng 10 °C so với nước đầu vào. Loại tiếng ồn này tăng theo áp suất hơi, nhiệt độ nước và số lượng bộ phun, nhưng hiếm khi khó chịu ở áp suất hơi dưới 8 bar g. Mặc dù tuần hoàn mạnh của nội dung bể xảy ra ở áp suất trên 8 bar g, ít rung động sẽ được trải nghiệm.
• Ngưng tụ không hoàn chỉnh Điều này được đặc trưng bởi tiếng bumping nhẹ và đôi khi đi kèm rung động nặng. Nó xảy ra khi nhiệt độ chất lỏng quá cao (thường trên 90 °C). Khi chất lỏng quá nóng, bộ phun trở nên kém hiệu quả và một phần hơi thoát ra từ ống xả. Ở áp suất hơi cao hơn, ngưng tụ hơi có thể gây ra rung động, không được khuyến nghị cho bể khí quyển. Tuy nhiên, trong bình áp suất hình trụ có thiết kế bền, điều này có thể không gây ra vấn đề.
• Lưu lượng thấp Khi áp suất hơi tại đầu vào bộ phun giảm xuống dưới 1.5 bar g, tiếng crackling đặc trưng có thể được nghe thấy. Trong điều kiện này, hơi không thể nhả entanpi bay hơi trước khi rời ống bộ phun. Ở lưu lượng thấp, hơi di chuyển với vận tốc thấp hơn so với các chế độ vận hành khác, và các bọt hơi collapsing được tìm thấy trên thân đúc và trong ống nối, gây ra xâm thực. Tiếng ồn này thường được coi là khó chịu, và có thể được tìm thấy nếu hệ thống phun hơi đã bị quá khổ. Tiếng ồn cũng có thể do lắp đặt kém bộ phun. Các mặt của bể hình chữ nhật có thể được làm từ tấm khá linh hoạt. Kết nối bộ phun vào giữa tấm linh hoạt có thể gây ra rung động và tiếng ồn. Thường tốt hơn nếu gắn bộ phun gần góc bể ở đâu cấu trúc cứng hơn.

Ví dụ 2.11.2

Dựa trên dữ liệu từ Ví dụ 2.11.1, đề xuất hệ thống phun hơi. Lưu lượng phun hơi yêu cầu = 569 kg/h Áp suất phun hơi = 1.0 bar

Bảng 2.11.2 Biểu đồ dung lượng bộ phun hơi điển hình

Bộ phun lớn nhất (IN40M) có dung lượng 400 kg/h ở 1.0 bar, vì vậy ứng dụng này sẽ cần:

Lý tưởng, vì áp suất thấp liên quan, các bộ phun sẽ được lắp ở hai đầu đối diện của bể để tạo trộn tốt.

Một giải pháp thay thế sẽ là sử dụng hơi áp suất cao hơn. Điều này sẽ cho phép sử dụng chỉ một bộ phun nhỏ hơn, giảm chi phí và vẫn cung cấp trộn tốt.

Phương pháp thay thế tính tải hơi phun

Phương pháp trước đó sử dụng trong Mô-đun này để tính lưu lượng hơi trung bình yêu cầu tải nhiệt trung bình phải được tính trước. Điều này được thể hiện bằng Phương trình 2.11.1:

Nếu tốc độ truyền nhiệt trung bình không được biết, một phương pháp khác có thể được sử dụng để xác định lưu lượng hơi trung bình. Điều này yêu cầu sử dụng cân bằng nhiệt như mô tả bên dưới.

Nên lưu ý rằng cả hai phương pháp đều trả về chính xác cùng kết quả, vì vậy phương pháp nào được sử dụng phụ thuộc vào sự lựa chọn của người dùng. Tính lưu lượng hơi trung bình bằng phương pháp cân bằng nhiệt Cân bằng nhiệt được xem xét trong đó nội dung nhiệt ban đầu trong nước cộng với nhiệt do hơi thêm vào bằng nội dung nhiệt cuối cùng. Phương trình cân bằng nhiệt cho nước trong bể được thể hiện trong Phương trình 2.11.3:

Khối lượng hơi cần phun

Khối lượng hơi cần phun có thể được xác định trực tiếp hơn từ Phương trình 2.11.4, được phát triển từ Phương trình 2.11.3.

Ví dụ 2.11.3

Xem xét cùng điều kiện như trong Ví dụ 2.11.1.

Thực hiện cân bằng nhiệt trên nước trong bể bằng cách sử dụng Phương trình 2.11.4:

Thực hiện cân bằng nhiệt trên vật liệu bể

Tổn thất nhiệt từ các mặt bể và bề mặt nước giống như đã tính trước đó, tức là 24 kg/h.

Đây là kết quả giống như đã thu được trước đó trong Mô-đun này từ Phương trình 2.11.1 và 2.11.2, và chứng minh rằng cả hai phương pháp đều có thể được sử dụng để tính lưu lượng hơi trung bình để gia nhiệt bể và nội dung của nó.