Hơi nước và nước nóng

Bài viết sau đây trình bày cách tính toán và so sánh giá trị U đối với sự truyền nhiệt của hơi nước và nước nóng qua các loại môi trường khác nhau, bao gồm hệ số màng và chính vật liệu tường thực tế.

Hệ số truyền nhiệt tổng thể bị ảnh hưởng bởi độ dày và độ dẫn nhiệt của môi trường mà nhiệt được truyền qua. Hệ số càng lớn thì nhiệt được truyền từ nguồn sang sản phẩm được làm nóng càng dễ dàng. Trong bộ trao đổi nhiệt, mối quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt tổng thể (U) và tốc độ truyền nhiệt (Q) có thể được biểu thị bằng phương trình sau:

Ở đâu

Q = tốc độ truyền nhiệt, W=J/s [btu/hr]
A = diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 [ft2]
U = hệ số truyền nhiệt tổng thể, W/(m2°C) [Btu/(hr-ft2°F)]
ΔTLM = chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C [°F]

Từ phương trình này có thể thấy rằng giá trị U tỷ lệ thuận với Q, tốc độ truyền nhiệt. Giả sử bề mặt truyền nhiệt và chênh lệch nhiệt độ không thay đổi thì giá trị U càng lớn thì tốc độ truyền nhiệt càng lớn. Nói cách khác, điều này có nghĩa là đối với một sản phẩm và bộ trao đổi nhiệt nhất định, giá trị U cao hơn có thể dẫn đến thời gian sản xuất ngắn hơn và tăng sản lượng/doanh thu.

Tính giá trị U

Một số phương trình có thể được sử dụng để xác định giá trị U, một trong số đó là:

Ở đâu

h = hệ số truyền nhiệt đối lưu, W/(m2°C) [Btu/(hr-ft2°F)]
L = độ dày của tường, m [ft]
λ = độ dẫn nhiệt, W/(m°C) [Btu/(hr-ft°F)]

Ví dụ, trong trường hợp tạo ra nước nóng, sự truyền nhiệt về cơ bản xảy ra từ chất lỏng 1 (nguồn nhiệt) qua chất rắn dẫn điện (tường kim loại) sang chất lỏng 2 (nước, sản phẩm được làm nóng). Tuy nhiên, độ bền của màng cũng phải được xem xét. Đó là lý do tại sao hệ số truyền nhiệt đối lưu (h), đôi khi được gọi là hệ số màng, được đưa vào khi tính toán truyền nhiệt giữa chất lỏng và thành dẫn nhiệt.

Ngoài ra, trong một số ứng dụng đặc biệt như gia nhiệt quy trình dược phẩm hoặc công nghệ sinh học, quá trình truyền nhiệt đó có thể xảy ra qua nhiều lớp vật liệu tường. Trong những trường hợp như vậy, phương trình trên có thể được điều chỉnh bằng cách kết hợp từng lớp độ dày của vật rắn (L) chia cho độ dẫn nhiệt (λ) của nó.

Để thuận tiện cho việc tính toán ví dụ dưới đây, các giá trị sau có thể được sử dụng làm tham chiếu cho hệ số truyền nhiệt đối lưu:

Ví dụ so sánh hiệu ứng trên U của các nguồn nhiệt, hơi nước hoặc nước nóng khác nhau

Hai ấm đun nước có vỏ bọc bằng thép carbon (λ = 50 W/(m °C) [28,9 Btu/(hr-ft °F)]) có độ dày thành trong là 15 mm [0,049 ft] được sử dụng để đun nóng nước. Một loại sử dụng nước nóng làm nguồn nhiệt, còn loại kia sử dụng hơi nước. Giả sử hệ số truyền nhiệt là 1000 W/m2 °C [176 Btu/(hr-ft2 °F)] đối với nước được làm nóng, 3000 W/m2 °C [528 Btu/(hr-ft2 °F)] đối với nước nóng và 10000 W/m2° C [1761 Btu/(hr-ft2 °F)] đối với hơi nước, hãy tính giá trị U cho cả hai quá trình gia nhiệt.

Ấm đun nước có vỏ bọc bằng thép carbon – So sánh nước nóng và nguồn nhiệt hơi nước
Nước nóng:

Hơi nước

Trong trường hợp này, hơi nước mang lại sự cải thiện giá trị U được tính toán là 17%.

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng vách chuyển ấm tương tự cũng được lót bằng kính dày 1mm [0,0033 ft] (λ = 0,9 W/(m °C) [0,52 Btu/(hr-ft °F)]). Việc đưa các giá trị này vào phương trình giá trị U ở trên sẽ cho kết quả sau:

Ấm siêu tốc có vỏ bọc bằng thủy tinh – So sánh nước nóng và nguồn nhiệt hơi nước
Nước nóng:

Hơi nước:

Trong trường hợp có thêm khả năng chống dẫn điện, giá trị U vẫn được cải thiện nhưng chỉ 9%; và điều này chứng tỏ chất dẫn nhiệt kém như thủy tinh có thể cản trở rất nhiều đến quá trình truyền nhiệt.

Vì vậy, đối với một số thiết bị trao đổi nhiệt nhất định như ấm đun nước bằng thép carbon, việc thay đổi nguồn nhiệt từ nước nóng sang hơi nước có thể cải thiện đáng kể giá trị U và khả năng truyền nhiệt nếu vật liệu thành có tính dẫn điện cao. Tuy nhiên, hiệu ứng ấn tượng tương tự sẽ không xảy ra trong trường hợp sử dụng bộ trao đổi nhiệt có nhiều lớp thành bao gồm các lớp vật liệu không có tính dẫn điện cao (chẳng hạn như ấm đun nước có lớp lót bằng thủy tinh).

Tuy nhiên, một số quy trình yêu cầu vật liệu tường nhất định, chẳng hạn như lớp lót kính, để ngăn phản ứng với sản phẩm. Mặc dù vậy, tốc độ truyền nhiệt vẫn có thể được cải thiện trong những trường hợp như vậy bằng cách thay đổi nguồn nhiệt từ nước nóng sang hơi nước để tối ưu hóa sản xuất.

Hiểu biết nâng cao
Làm bẩn
Sự bám bẩn của bề mặt vật liệu tường có thể là một rào cản bổ sung đối với việc truyền nhiệt. Sự cố này có thể xảy ra ở cả phía môi trường gia nhiệt và phía sản phẩm vì nhiều lý do. Một số nguyên nhân có thể là do các hạt cặn lắng đọng ở phía gia nhiệt và nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp ở phía sản phẩm.

Ví dụ, áp suất hơi nước đôi khi được nâng lên để tạo ra áp suất cần thiết đẩy nước ngưng qua van điều khiển đầu ra trên nồi cân bằng. Tuy nhiên, với sự gia tăng áp suất trong bộ trao đổi nhiệt, nhiệt độ hơi nước cũng tăng theo và nhiệt độ quá cao này có thể làm tăng cặn bám trên bề mặt sản phẩm. Ngược lại, nếu để nước ngưng tụ tích tụ bên trong thiết bị, thì sự tắc nghẽn có thể xảy ra ở phía gia nhiệt do các mảnh vụn bị cuốn vào nước ngưng tụ và ở phía sản phẩm do nhiệt độ thấp hơn khiến sản phẩm đóng bánh trên bề mặt khi cần thiết, độ nhớt của sản phẩm bị giảm. không được duy trì.

Sự bám bẩn có thể được thêm vào phương trình trên bằng cách bao gồm tỷ lệ độ dày (LF) trên độ dẫn điện (λF), theo cách tương tự như lớp lót thủy tinh đã được thêm vào ở trên, nhưng thường được kết hợp vào và biểu thị dưới dạng hệ số bám bẩn đối với một bộ trao đổi đã được "hoạt động". Thông thường, các tính toán để so sánh mức giảm U dành cho chế độ làm việc sạch và trong chế độ vận hành.