Phương pháp Ước tính Tiêu thụ Hơi

Cách tính toán nhu cầu hơi cho các ứng dụng dòng chảy và không dòng chảy. Bao gồm khởi động, tổn thất nhiệt và tải trọng vận hành.

Thiết kế tối ưu cho một hệ thống hơi phần lớn phụ thuộc vào việc tốc độ tiêu thụ hơi đã được xác định chính xác hay chưa. Điều này sẽ cho phép tính toán kích thước đường ống, trong khi các thiết bị phụ trợ như van điều khiển và bẫy hơi có thể được định cỡ để mang lại kết quả tốt nhất có thể. Nhu cầu hơi của nhà máy có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau: Tính toán

Bằng cách phân tích nhiệt lượng đầu ra trên một thiết bị sử dụng các phương trình truyền nhiệt, có thể thu được ước tính về lượng tiêu thụ hơi. Mặc dù truyền nhiệt không phải là một khoa học chính xác và có thể có nhiều biến số chưa biết, có thể sử dụng dữ liệu thực nghiệm trước đó từ các ứng dụng tương tự. Kết quả thu được bằng phương pháp này thường đủ chính xác cho hầu hết các mục đích. Đo lường

Lượng tiêu thụ hơi có thể được xác định bằng đo lường trực tiếp, sử dụng thiết bị đo lưu lượng. Điều này sẽ cung cấp dữ liệu tương đối chính xác về lượng tiêu thụ hơi cho một nhà máy hiện có. Tuy nhiên, đối với nhà máy vẫn đang trong giai đoạn thiết kế, hoặc chưa hoạt động, phương pháp này gần như không có giá trị. Công suất nhiệt

Công suất nhiệt (hoặc công suất thiết kế) thường được hiển thị trên bảng tên của từng thiết bị, do nhà sản xuất cung cấp. Các công suất này thường biểu thị nhiệt lượng đầu ra dự kiến tính bằng kW, nhưng lượng tiêu thụ hơi cần thiết tính bằng kg/h sẽ phụ thuộc vào áp suất hơi được khuyến nghị. Sự thay đổi bất kỳ thông số nào có thể làm thay đổi nhiệt lượng đầu ra dự kiến, đồng nghĩa với việc công suất nhiệt (thiết kế) và tải trọng kết nối (lượng tiêu thụ hơi thực tế) sẽ không giống nhau. Công suất của nhà sản xuất là chỉ báo về năng lực lý tưởng của thiết bị và không nhất thiết tương đương với tải trọng kết nối.

Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt trong hơi được yêu cầu để thực hiện hai việc:

1. Tạo ra sự thay đổi nhiệt độ trong sản phẩm, tức là cung cấp thành phần ‘làm nóng’
2. Duy trì nhiệt độ sản phẩm khi nhiệt bị mất do các nguyên nhân tự nhiên hoặc theo thiết kế, tức là cung cấp thành phần ‘tổn thất nhiệt’. Trong bất kỳ quá trình gia nhiệt nào, thành phần ‘làm nóng’ sẽ giảm khi nhiệt độ sản phẩm tăng lên, và nhiệt độ chênh lệch giữa cuộn dây gia nhiệt và sản phẩm giảm. Tuy nhiên, thành phần tổn thất nhiệt sẽ tăng khi nhiệt độ sản phẩm tăng và nhiều nhiệt hơn bị mất ra môi trường từ bình chứa hoặc đường ống. Tổng nhu cầu nhiệt tại bất kỳ thời điểm nào là tổng của hai thành phần này. Phương trình được sử dụng để xác định lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của một chất (Phương trình 2.1.4, từ mô-đun 2), có thể được phát triển để áp dụng cho một loạt các quá trình truyền nhiệt.

Ở dạng ban đầu, phương trình này có thể được sử dụng để xác định tổng lượng nhiệt năng trong toàn bộ quá trình. Tuy nhiên, ở dạng hiện tại, nó không tính đến tốc độ truyền nhiệt. Để xác định tốc độ truyền nhiệt, các loại ứng dụng trao đổi nhiệt khác nhau có thể được chia thành hai loại rộng: Ứng dụng loại không dòng chảy

nơi sản phẩm được gia nhiệt là một khối cố định và một mẻ đơn lẻ trong giới hạn của bình chứa. Ứng dụng loại dòng chảy

nơi chất lỏng được gia nhiệt liên tục chảy qua bề mặt truyền nhiệt.

Trong các ứng dụng loại không dòng chảy, chất lỏng quá trình được giữ dưới dạng một mẻ đơn lẻ trong giới hạn của bình chứa. Một cuộn hơi nằm trong bình, hoặc áo hơi bao quanh bình, có thể cấu thành bề mặt gia nhiệt. Các ví dụ điển hình bao gồm bình tích trữ nước nóng như trong Hình 2.6.1 và bể chứa dầu nơi một bể thép tròn lớn được đổ đầy dầu nhớt cần gia nhiệt trước khi có thể bơm. Một số quá trình liên quan đến việc gia nhiệt chất rắn; các ví dụ điển hình là ép lốp, bàn ủi công nghiệp, máy lưu hóa và nồi hấp áp suất.

Trong một số ứng dụng loại không dòng chảy, thời gian khởi động quá trình không quan trọng và bị bỏ qua. Tuy nhiên, trong các trường hợp khác, như bể chứa và máy lưu hóa, nó không chỉ quan trọng mà còn là yếu tố quyết định đối với toàn bộ quá trình.

Xem xét hai quá trình gia nhiệt không dòng chảy yêu cầu cùng một lượng nhiệt năng nhưng có thời gian khởi động khác nhau. Tốc độ truyền nhiệt sẽ khác nhau trong khi tổng lượng nhiệt truyền đi sẽ giống nhau.

Tốc độ truyền nhiệt trung bình cho các ứng dụng như vậy có thể thu được bằng cách điều chỉnh Phương trình 2.1.4 thành Phương trình 2.6.1:

Ví dụ 2.6.1

Tính tốc độ truyền nhiệt trung bình trong ứng dụng không dòng chảy. Một lượng dầu được gia nhiệt từ nhiệt độ 35 °C lên 120 °C trong khoảng thời gian 10 phút (600 giây). Thể tích dầu là 35 lít, trọng lượng riêng là 0,9 và nhiệt dung riêng là 1,9 kJ/kg °C trong khoảng nhiệt độ đó. Xác định tốc độ truyền nhiệt cần thiết: Vì mật độ của nước ở Nhiệt độ và Áp suất Tiêu chuẩn (STP) là 1 000 kg/m³

Phương trình 2.6.1 có thể được áp dụng cho dù chất được gia nhiệt là chất rắn, chất lỏng hay chất khí.

Tuy nhiên, nó không tính đến sự truyền nhiệt liên quan khi có sự thay đổi pha. Lượng nhiệt do hơi ngưng tụ cung cấp có thể được xác định bằng Phương trình 2.6.2:

Do đó, lượng tiêu thụ hơi có thể được xác định từ tốc độ truyền nhiệt và ngược lại, từ Phương trình 2.6.3.

Nếu giả định tại thời điểm này rằng truyền nhiệt hiệu suất 100%, thì nhiệt do hơi cung cấp phải bằng nhu cầu nhiệt của chất lỏng cần gia nhiệt. Điều này sau đó có thể được sử dụng để xây dựng cân bằng nhiệt, trong đó nhiệt năng cung cấp và cần thiết được cân bằng:

Ví dụ 2.6.2

Một bể chứa 400 kg dầu hỏa cần được gia nhiệt từ 10 °C lên 40 °C trong 20 phút (1 200 giây), sử dụng hơi 4 bar g. Dầu hỏa có nhiệt dung riêng 2,0 kJ/kg °C trong khoảng nhiệt độ đó. hfg ở 4,0 bar g là 2 108,1 kJ/kg. Bể được cách nhiệt tốt và tổn thất nhiệt không đáng kể.

Trong một số ứng dụng loại không dòng chảy, thời gian của quá trình mẻ có thể không quan trọng, và thời gian khởi động lâu hơn có thể chấp nhận được. Điều này sẽ giảm lượng tiêu thụ hơi tức thời và kích thước thiết bị nhà máy cần thiết.

Các ví dụ điển hình bao gồm trao đổi nhiệt ống vỏ, xem Hình 2.6.2 (còn gọi là bình gia nhiệt không tích trữ) và trao đổi nhiệt dạng tấm, cung cấp nước nóng cho hệ thống sưởi hoặc quy trình công nghiệp. Một ví dụ khác là cụm sưởi không khí nơi hơi tỏa nhiệt cho không khí liên tục đi qua.

Hình 2.6.3 cung cấp biểu đồ nhiệt độ điển hình trong trao đổi nhiệt với lưu lượng chất lỏng thứ cấp không đổi. Nhiệt độ ngưng tụ (TS) vẫn không đổi trong toàn bộ trao đổi nhiệt.

Chất lỏng được gia nhiệt từ T1 tại van vào đến TS tại đầu ra của trao đổi nhiệt.

Đối với lưu lượng thứ cấp cố định, tải trọng nhiệt cần thiết (Q̇) tỷ lệ với nhiệt độ tăng của sản phẩm (ΔT). Sử dụng Phương trình 2.6.1:

Lượng tiêu thụ hơi trung bình

Lượng tiêu thụ hơi trung bình của ứng dụng loại dòng chảy như trao đổi nhiệt quá trình hoặc bình gia nhiệt có thể được xác định từ Phương trình 2.6.6, như thể hiện trong Phương trình 2.6.7.

Nhưng vì nhiệt lượng truyền trung bình được tính từ lưu lượng khối lượng, nhiệt dung riêng và nhiệt độ tăng, dễ dàng hơn khi sử dụng Phương trình 2.6.7.

Ví dụ 2.6.3

Hơi bão hòa khô ở 3 bar g được sử dụng để gia nhiệt nước chảy ở tốc độ không đổi 1,5 l/s từ 10°C lên 60°C. hfg ở 3 bar g là 2 133,4 kJ/kg, và nhiệt dung riêng của nước là 4,19 kJ/kg °C Xác định lưu lượng hơi từ Phương trình 2.6.7: Vì 1 lít nước có khối lượng 1 kg, lưu lượng khối lượng = 1,5 kg/s

Khi khởi động, nhiệt độ đầu vào, T1 có thể thấp hơn nhiệt độ đầu vào dự kiến ở tải trọng vận hành đầy đủ, gây ra nhu cầu nhiệt cao hơn. Nếu thời gian khởi động quan trọng đối với quá trình, trao đổi nhiệt cần được định cỡ để cung cấp nhu cầu nhiệt tăng này. Tuy nhiên, tải trọng khởi động thường bị bỏ qua trong tính toán thiết kế loại dòng chảy, vì khởi động thường không thường xuyên, và thời gian để đạt điều kiện thiết kế không quá quan trọng. Bề mặt gia nhiệt của trao đổi nhiệt do đó thường được định cỡ theo điều kiện tải trọng vận hành.

Trong các ứng dụng loại dòng chảy, tổn thất nhiệt từ hệ thống có xu hướng ít hơn đáng kể so với nhu cầu gia nhiệt, và thường bị bỏ qua. Tuy nhiên, nếu tổn thất nhiệt lớn, tổn thất nhiệt trung bình (chủ yếu từ đường ống phân phối) nên được tính vào khi tính toán diện tích bề mặt gia nhiệt.

Thành phần khởi động và tổn thất nhiệt

Trong bất kỳ quá trình gia nhiệt nào, thành phần khởi động sẽ giảm khi nhiệt độ sản phẩm tăng lên, và nhiệt độ chênh lệch qua cuộn dây gia nhiệt giảm. Tuy nhiên, thành phần tổn thất nhiệt sẽ tăng khi nhiệt độ sản phẩm và bình chứa tăng, và nhiều nhiệt hơn bị mất ra môi trường từ bình chứa hoặc đường ống. Tổng nhu cầu nhiệt tại bất kỳ thời điểm nào là tổng của hai thành phần này. Nếu bề mặt gia nhiệt chỉ được tính cỡ dựa trên thành phần khởi động, có thể không đủ nhiệt cho quá trình đạt nhiệt độ dự kiến. Phần tử gia nhiệt, khi được định cỡ dựa trên tổng giá trị trung bình của cả hai thành phần này, thường có thể đáp ứng nhu cầu nhiệt tổng thể của ứng dụng. Đôi khi, với các bể chứa dầu rất lớn chẳng hạn, có thể hợp lý khi duy trì nhiệt độ giữ thấp hơn nhiệt độ bơm cần thiết, vì điều này sẽ giảm tổn thất nhiệt từ diện tích bề mặt bể. Một phương pháp gia nhiệt khác có thể được sử dụng, chẳng hạn như bộ gia nhiệt dòng chảy ra, như thể hiện trong Hình 2.6.4.

Các phần tử gia nhiệt được đặt trong một vỏ kim loại nhô vào trong bể và được thiết kế sao cho chỉ dầu trong vùng lân cận được hút vào và gia nhiệt đến nhiệt độ bơm. Do đó, nhiệt chỉ được yêu cầu khi dầu được rút ra, và vì nhiệt độ bể được hạ xuống, việc cách nhiệt thường có thể bỏ qua. Kích thước của bộ gia nhiệt dòng chảy ra sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ dầu trong bể, nhiệt độ bơm và tốc độ bơm.

Thêm vật liệu vào bể quá trình hở cũng có thể được coi là thành phần tổn thất nhiệt sẽ tăng nhu cầu nhiệt. Các vật liệu này sẽ hoạt động như bể nhiệt khi ngâm, và chúng cần được xem xét khi tính toán diện tích bề mặt gia nhiệt. Dù là ứng dụng gì, khi bề mặt truyền nhiệt cần tính toán, trước tiên cần đánh giá tốc độ truyền nhiệt trung bình tổng thể. Từ đó, nhu cầu nhiệt và tải trọng hơi có thể được xác định cho tải trọng đầy đủ và khởi động. Điều này sẽ cho phép kích thước van điều khiển dựa trên một trong hai điều kiện này, tùy theo lựa chọn.