Làm thế nào để hơi nước cung cấp nhiệt ổn định, đều?

Không giống như truyền nhiệt bằng đối lưu (ví dụ nước nóng), truyền nhiệt bằng ngưng tụ (ví dụ hơi nước) không liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ. Khi hơi nước ngưng tụ trên bề mặt truyền nhiệt, nó sẽ truyền nhiệt ẩn vào sản phẩm. Nước ngưng được hình thành sau đó vẫn chứa nhiệt lượng cảm nhận được của nó, vì vậy nó có cùng nhiệt độ với hơi nước mà nó được tạo ra. Điều này cho phép làm nóng đều trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt.

Nếu áp suất tại bề mặt truyền nhiệt (ví dụ: vỏ, vỏ hoặc cuộn dây) của thiết bị được giữ không đổi thì quá trình gia nhiệt liên tục ở nhiệt độ không đổi có thể diễn ra trên khắp mọi phần của bề mặt truyền nhiệt.

Mặt khác, khi đun nóng bằng nước nóng hoặc dầu, nhiệt độ của môi trường gia nhiệt sẽ giảm do nhiệt lượng được truyền từ môi trường gia nhiệt sang sản phẩm. Do đó, gradient nhiệt độ liên tục giảm vì mỗi đơn vị nhiệt truyền cũng sẽ làm giảm nhiệt độ của môi trường gia nhiệt. Điều này có thể dẫn đến việc làm nóng không đều, có thể ảnh hưởng xấu đến sản phẩm được làm nóng.

Hơi nước cung cấp khả năng làm nóng nhanh như thế nào?

Truyền nhiệt từ sự ngưng tụ (hơi nước)
Bí mật nằm ở sự truyền nhiệt do quá trình ngưng tụ.

Ẩn nhiệt chứa trong hơi nước được giải phóng ngay lập tức hơi nước ngưng tụ thành trạng thái lỏng. Lượng nhiệt ẩn được giải phóng lớn hơn từ 2 đến 5 lần so với lượng nhiệt hiện có từ nước nóng (nước bão hòa) sau khi ngưng tụ. Nhiệt ẩn này được giải phóng ngay lập tức và được truyền qua bề mặt truyền nhiệt đến sản phẩm được gia nhiệt.

Truyền nhiệt bằng đối lưu (nước nóng và dầu)

Ngược lại, nước nóng và dầu truyền nhiệt bằng cách gia nhiệt đối lưu, không liên quan đến sự thay đổi trạng thái. Nếu để đối lưu tự nhiên thì quá trình truyền nhiệt cực kỳ chậm. Vì vậy, máy bơm thường được sử dụng để tạo dòng chảy ngược lại bề mặt truyền nhiệt nhằm tăng tốc độ truyền nhiệt. Điều này được gọi là sưởi ấm đối lưu cưỡng bức.

Tốc độ truyền nhiệt

Tốc độ truyền nhiệt giữa chất lỏng chuyển động và chất rắn thường được biểu thị bằng hệ số truyền nhiệt đối lưu. Giá trị của nó được coi là đại khái là:

1000 — 6000 W/(m2°C) [176-1057 Btu/(hr-ft2°F)] đối với nước nóng và
6000 — 15000 W/(m2°C) [1057 - 2641 Btu/(hr-ft2°F)] đối với hơi nước.
Tuy nhiên, trong bộ trao đổi nhiệt, quá trình truyền nhiệt không thể được tóm tắt chỉ bằng hệ số truyền nhiệt đối lưu vì quá trình truyền nhiệt xảy ra qua một số phương tiện. Do đó, nó là sự kết hợp của ba cơ chế sau:

truyền nhiệt từ môi trường gia nhiệt đến bề mặt của bộ trao đổi nhiệt
truyền nhiệt trong các bức tường của bộ trao đổi nhiệt, và
truyền nhiệt từ bề mặt thành của bộ trao đổi nhiệt đến sản phẩm được làm nóng.
Do đó, việc đánh giá sự truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt đòi hỏi hệ số truyền nhiệt tổng thể (tức là giá trị U), có tính đến cả ba cơ chế. Đơn vị của nó giống nhau: W/(m2°C), hoặc Btu/(hr-ft2°F).

Số liệu thực nghiệm
Giá trị U có thể khác nhau rất nhiều từ ứng dụng trao đổi nhiệt này sang ứng dụng trao đổi nhiệt khác, nhưng dữ liệu thử nghiệm đã chỉ ra rằng sưởi ấm bằng hơi nước có thể đạt giá trị U lên tới 1,7 lần so với sưởi ấm bằng nước nóng. Dưới đây là một ví dụ về những cải tiến liên quan đến việc thay đổi môi trường làm nóng của ấm đun nước có vỏ bọc từ nước nóng sang hơi nước chân không tại công ty A:

Nhiệm vụ: Cải thiện tốc độ sản xuất bằng cách giảm thời gian xử lý cần thiết để cô đặc chất hóa học được pha loãng trong dung môi.

Lĩnh vực: Hóa chất tinh khiết

Thiết bị: Ấm đun nước có vỏ bọc thủy tinh (10m3)

Như dữ liệu minh họa, giá trị U tăng theo hệ số 1,7, giúp giảm đáng kể thời gian sản xuất.

Để biết thêm các phép tính và phương trình chi tiết liên quan đến Hệ số truyền nhiệt tổng thể, hãy đọc bài viết tại đây.