NGHIÊN CỨU CÁC MÔI CHẤT TẢI NHIỆT DÙNG TRONG KỸ THUẬT SẤY Ở NHIỆT ĐỘ CAO

NGHIÊN CỨU CÁC MÔI CHẤT TẢI NHIỆT DÙNG TRONG KỸ THUẬT SẤY Ở NHIỆT ĐỘ CAO

A RESEARCH HEAT LOAD SUBSTANCES USED IN HIGH TEMPERATURE DRYING TECHNIQUE

TÓM TẮT

         

            Môi chất tải nhiệt có nhiệm vụ truyền tải nhiệt năng từ nơi sản xuất nhiệt đến nơi tiêu thụ. Ngày nay, môi chất tải nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Đặc biệt với các hệ thống sấy ở nhiệt độ cao, môi chất tải nhiệt đóng vai trò quan trọng để gia nhiệt cho tác nhân sấy. Báo cáo này trình bày nghiên cứu các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao, trong đó chúng tôi đã giới thiệu, phân tích các tính chất nhiệt động, truyền nhiệt và khả năng không bị phân hủy do nhiệt độ của một số môi chất tải nhiệt phổ biến, qua đó lựa chọn dầu truyền nhiệt là môi chất tải nhiệt tối ưu và tiến hành nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt của môi chất này. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở cho những doanh nghiệp, đơn vị thiết kế chế tạo lò dầu truyền nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt… có thể tham khảo khi tính toán, lựa chọn môi chất tải nhiệt nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.

Từ khóa: Môi chất tải nhiệt, kỹ thuật sấy, nhiệt độ cao, hệ số tỏa nhiệt, dầu truyền nhiệt, tư vấn, hiệu quả kinh tế,…

ABSTRACT

Thermal fluid heat transfer has mission to transport heat energy from producing place to the place of consumption. Nowadays, the refrigerant heat load is applied widely in industry and daily life. Especially with the drying system at high temperature, thermal fluid plays an important role to heat the drying agent. This report presents the research of thermal environment in the technique used in high-temperature drying, in which we introduce and analyze the thermodynamic properties, heat transfer and capability can not be destroyed by heat of some universal heat load refrigerants, which is the choice of thermal oil is optimum heat load substance and studied heat coefficients of this refrigerant. The research results are the basis for the business,  units design and manufacture of heat transfer oil furnace, heat exchange equipment... can refer to calculations, choose heat load refrigerant to bring benefits economic highest.

           
 Key words: Refrigerant heat load, drying techniques, high temperature, heat coefficient, Thermal oil, advise, economic efficiency,...

1. Đặt vấn đề

            Phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp tránh được hư hại sản phẩm, nhưng có thể làm cho thời gian sấy kéo dài khiến những sản phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch không được sấy khô kịp thời, dẫn đến sản phẩm sẽ giảm phẩm chất, thậm chí bị hỏng gây ra tình trạng mất mùa sau thu hoạch. Vì vậy để quá trình sấy diễn ra nhanh nhằm giảm độ ẩm một cách nhanh chóng, ngăn chặn sự hư hỏng và đảm bảo chất lượng sản phẩm, người ta đã áp dụng phương pháp sấy ở nhiệt độ cao.

Phương pháp sấy ở nhiệt độ cao yêu cầu các vật liệu sấy là vật ẩm dễ sấy, chứa ẩm tự do hay ẩm mao dẫn, cường độ thoát ẩm diễn ra nhanh nên thời gian sấy ngắn. Do vậy, phương pháp này thiết bị sấy thường sử dụng là thiết bị sấy đối lưu với phương pháp cấp nhiệt gián tiếp hoặc trực tiếp. Trong đó phương pháp dùng môi chất tải nhiệt cấp nhiệt gián tiếp cho tác nhân sấy để sấy nhiên liệu trước khi đưa vào buồng đốt, sấy các hạt nông sản, sấy quặng và sấy các loại tinh bột mà đặc biệt biến là tinh bột sắn được sử dụng rất phổ biến.

            Hiện nay các môi chất tải nhiệt như hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt, khói nóng, dầu truyền nhiệt… đang được dùng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất tinh bột sắn của các nước trên thế giới như Thái Lan, Indonexia và ngay cả ở Việt Nam. Tuy nhiên, ở nước ta do điều kiện khí hậu thay đổi thất thường, nguồn điện không được duy trì liên tục trong quá trình sản xuất, chế độ vận hành chưa phù hợp gây mất an toàn, cháy nổ hệ thống, hơn nữa vấn đề lựa chọn và sử dụng các môi chất tải nhiệt cũng chưa có tài liệu nào hướng dẫn cụ thể nên hiệu quả mà các môi chất tải nhiệt mang lại còn nhiều hạn chế.

            Như vậy để giảm giá thành trong công đoạn sấy, nâng cao hiệu quả kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao. Cần phải có những nghiên cứu cũng như đưa ra đánh giá một cách tổng thể về các môi chất tải nhiệt này thì mới có thể tư vấn cho các doanh nghiệp cũng như các đơn vị sản xuất nhằm lựa chọn môi chất tải nhiệt tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Tổng quan về các thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao

            Như ta đã biết, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao có nhiệt độ tác nhân sấy lớn hơn nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất không khí ẩm (chẳng hạn áp suất không khí ẩm p = 745mmHg nhiệt độ bão hòa tương ứng là 100⁰C).

              Ở Việt Nam, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao đã và đang được ứng dụng rất có hiệu quả trong công nghệ sản xuất tinh bột sắn nhằm phục vụ cho các ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp thức ăn gia súc… Việt Nam sản xuất hàng năm hơn 2 triệu tấn sắn củ tươi, chỉ đứng hàng thứ 11 trên thế giới về sản lượng sắn, nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ 3 trên thế giới sau Thái Lan và Indonexia. Hiện nay cả nước có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn nằm rải rác chủ yếu ở các tỉnh Tây Ninh, Nghệ An, Bình Phước, Dăk Lăk, Kon Tum, Hòa Bình, Gia Lai, Phú Yên.

          Hầu hết các nhà máy đều sử dụng thiết bị sấy khí động có thời gian sấy ngắn (5 ÷ 7) s cho phép sấy ở nhiệt độ cao (100 ÷ 150)⁰C mà không sợ ảnh hưởng đến chất lượng của hạt tinh bột.

2.2. Giới thiệu về các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao

            Trong thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao, tác nhân sấy được sử dụng nhiều nhất là không khí nóng. Vì vậy, môi chất tải nhiệt thường dùng để cấp nhiệt cấp nhiệt gián tiếp cho không khí trong các thiết bị trao đổi nhiệt. Các môi chất tải nhiệt phổ biến là hơi nước bão hòa, hơi nước quá nhiệt, khói nóng và dầu truyền nhiệt.

- Hơi nước bão hòa ngưng tụ tỏa nhiệt lớn nên calorife khí - hơi có cấu tạo gọn nhẹ, có thể làm cánh về phía không khí, thiết bị không bám bẩn, làm việc với nhiệt độ thấp nên tuổi thọ cao. Hơn nữa dễ điều chỉnh nhiệt độ của hơi bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi. Tuy nhiên hơi nước bão hòa không thể làm việc ở nhiệt độ cao vì nếu nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi càng tăng đồng thời nhiệt ẩn hóa hơi càng giảm. 

- Hơi quá nhiệt thường chỉ dùng trong trường hợp cấp nhiệt trực tiếp cho vật liệu sấy và sấy các vật liệu dễ cháy, dễ nổ. Hơi nước quá nhiệt có nhược điểm chính là hệ số truyền nhiệt thấp và trong quá trình chuyển tải nhiệt rất dễ ngưng tụ gây mất mát nhiệt. Bên cạnh đó hơi nước quá nhiệt cũng rất khó điều chỉnh nhiệt độ.

 - Khói lò làm môi chất tải nhiệt thì hệ thống thiết bị đơn giản, giá thành thấp. Nhược điểm của nó là calorife khí – khói làm việc ở nhiệt độ cao, bề mặt truyền nhiệt bị bám bụi… nên giảm tuổi thọ thiết bị, đồng thời calorife khí – khói có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn calorife khí - hơi nên tốn nhiều kim loại chế tạo, việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khó hơn so với calorifer khí – hơi.

- Dầu truyền nhiệt là môi chất tải nhiệt hoàn hảo, nhiệt độ sôi của nó khá cao nên áp suất làm việc của thiết bị thấp (3 ÷ 5) kg/cm², dễ dàng duy trì và điều chỉnh nhiệt độ. Nhưng dầu truyền nhiệt có giá thành cao và phải nhập từ nước ngoài nên việc sử dụng có phần bị hạn chế.

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

            Để lựa chọn được môi chất tải nhiệt cho các hệ thống sấy ở nhiệt độ cao thì cần phải nắm rõ tính chất nhiệt – hóa lý, tính kinh tế cũng như những ảnh hưởng đến môi trường của các môi chất đó. Dưới đây chúng tôi tiến hành so sánh các môi chất hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt, khói lò với dầu truyền nhiệt sử dụng cho hệ thống sấy ở nhiệt độ cao dựa trên một số chỉ tiêu cụ thể.  

Bảng 1. Đánh giá so sánh tính chất của dầu truyền nhiệt với hơi nước bão hòa, hơi nước quá nhiệt và khói lò

STT	Môi chất Chỉ tiêu so sánh	Hơi nước bão hòa	Hơi nước quá nhiệt	Khói lò
1	Khả năng trao đổi nhiệt	Tốt hơn	Kém hơn	Kém hơn
2	Khả năng điều chỉnh nhiệt độ	như nhau	Khó hơn nhiều	Khó hơn
3	Nhiệt độ làm việc cho phép	Thấp hơn nhiều	Thấp hơn	Lớn hơn
4	Áp suất làm việc	Cao hơn	Cao hơn	Cao hơn
5	Tính an toàn	Kém hơn	Như nhau	Như nhau
6	Kích thước thiết bị trao đổi nhiệt	Lớn hơn	Lớn hơn	Lớn hơn nhiều
7	Tuổi thọ của thiết bị trao đổi nhiệt	Thấp hơn	Thấp hơn	Thấp hơn nhiều
8	Chi phí đầu tư ban đầu	Cao hơn	Cao hơn	Thấp hơn
9	Chi phí vận hành, bảo dưỡng	Đắt hơn	Đắt hơn	Đắt hơn nhiều
10	Hiệu suất sử dụng thiết bị	Thấp hơn	Như nhau	Thấp hơn nhiều
11	Bảo vệ môi trường	Tốt hơn	Tốt hơn	Như nhau
12	Phạm vi ứng dụng	Hẹp hơn	Hẹp hơn nhiều	Như nhau

         

          Từ bảng so sánh tính chất của dầu truyền nhiệt với các môi chất khác ta nhận thấy: Dầu truyền nhiệt có những ưu điểm hoàn toàn nổi trội như khả năng điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, nhiệt độ làm việc cho phép cao, có thể làm việc ở áp suất thấp, đảm bảo an toàn, thiết bị nhỏ gọn hoạt động lâu dài với hiệu suất sử dụng cao. Hơn nữa dầu truyền nhiệt có khả năng trao đổi nhiệt rất tốt và phạm vi ứng dụng rộng.

          Như vậy khi lựa chọn môi chất tải nhiệt cho hệ thống sấy ở nhiệt độ cao mà đặc biệt ở Việt Nam trong các nhà máy sản xuất tinh bột sắn thì dầu truyền nhiệt được xem là phương án tối ưu và mang lại hiệu quả kinh tế lớn nhất.

2.3. Ảnh hưởng của một số đại lượng đến hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt.

            Khi nghiên cứu về dầu truyền nhiệt, chúng tôi đã tiến hành tính toán xác định hệ số tỏa nhiệt của môi chất này theo một số đại lượng như nhiệt độ truyền nhiệt, tốc độ dầu truyền nhiệt, kích thước hình học. Qua đó rút ra ảnh hưởng của các đại lượng đến hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt.

            Dữ liệu tính toán cụ thể như sau:

            - Dầu truyền nhiệt chuyển động cưỡng bức bên trong ống nằm ngang.

            - Nhiệt độ truyền nhiệt t_f1: 200, 220, 240, 260, 280 và 300⁰C

             - Tốc độ dầu truyền nhiệt w₁: 0,5; 1,2; 1,8; 2,5 và 3 m/s

            - Đường kính trong của ống d₁: 40, 52, 68, 84, 97, 110 và 125mm

            Các kết quả tính toán hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt được thể hiện trong các bảng 2, 3 và 4.

Bảng 2. Hệ số tỏa nhiệt của dầu theo nhiệt độ truyền nhiệt (W/m²K)

Giả thiết		Nhiệt độ truyền nhiệt của dầu tf1 [0C]
w1 [m/s]	d1 [m]	200	220	240	260	280	300
1,8	0,084	1375,95	1443,38	1514,73	1572,12	1622,76	1669,11

Bảng 3. Hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt theo tốc độ w₁ (W/m²K)

Giả thiết		Tốc độ dầu truyền nhiệt w1 [m/s]
tf1 [0C]	d1 [m]	0,5	1,2	1,8	2,5	3
260	0,084	561,2	1135,21	1572,12	2046,06	2368,21

Bảng 4. Hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt theo đường kính trong của ống d₁ (W/m²K)

Giả thiết		Đường kính trong của ống d1 [mm]
w1 [m/s]	tf1 [0C]	40	52	68	84	97	110	125
1,8	260	1814,02	1721,48	1631,89	1572,12	1544,15	1518,28	1485,87

Nhận xét:

1. Dầu truyền nhiệt có hệ số tỏa nhiệt lớn hơn nhiều so với các môi chất tải nhiệt khác như hơi nước quá nhiệt, khói lò.

2. Ở trong cùng một điều kiện cụ thể:                                                  

- Khi nhiệt độ truyền nhiệt hoặc tốc độ dầu truyền nhiệt càng tăng thì hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt càng tăng.

- Khi đường kính trong của ống càng tăng thì hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt càng giảm.             

3. Các kết quả tính toán đưa ra ở các bảng số có thể sử dụng để tính toán một cách khá chính xác hệ số truyền nhiệt thực tế của các thiết bị gia nhiệt dùng dầu truyền nhiệt.

4. Qua quá trình tính toán còn cho thấy, với các dữ liệu tính toán như trên, hầu hết các trường hợp dầu truyền nhiệt chảy rối trong ống. Hơn nữa hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ vách t_w. Như vậy ta có thể khái quát thành công thức tổng quát để xác định gần đúng hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt chuyển động trong ống trơn nằm ngang cụ thể như sau:

              

          Trong đó:      ω₁ – Tốc độ dầu truyền nhiệt, m/s; d₁ – Đường kính trong của ống, m

                               C_pf1, ρ_f1, λ_f1, ν_f1 là các thông số vật lý của dầu ở nhiệt độ truyền nhiệt t_f1

2.4. Thiết kế lò dầu truyền nhiệt công suất công suất 1,8 triệu kCal/h

          Ngày nay, lò gia nhiệt không khí sử dụng dầu truyền nhiệt được dùng rất phổ biến tại các nhà máy sản xuất tinh bột sắn. Ở đây chúng tôi đã tiến hành tính toán thiết kế một lò dầu truyền nhiệt cụ thể với công suất 1,8 triệu kCal/h.

2.4.1.Thông số và phương pháp tính toán

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

    

          Để tính toán nhiệt của lò ta tiến hành tính toán cho từng pass một. Pass thứ nhất cũng chính là buồng lửa nên trao đổi nhiêt chủ yếu là trao đổi kiểu bức xạ, ở pass 2 và pass 3 nhiệt độ vẫn cao nên trao đổi nhiệt đồng thời cả hai bức xạ và đối lưu.

2.4.2. Cấu trúc lò dầu truyền nhiệt

            Lò dầu truyền nhiệt cấu tạo gồm buồng đốt và phần trao đổi nhiệt. Thân lò là lớp thép tấm CT3 dày 8mm. Diện tích trao đổi nhiệt gồm hai dãy vòng ống xoắn lò xo xếp sát nhau.

- Chiều cao của lò:                                                                     H = 5,517 m       

- Chiều rộng của lò:                                                                    L = 2,2 m

- Đường kính ống trao đổi nhiệt:                                              d = 0,09 m

- Đường kính vòng ống trao đổi nhiệt phía trong thân lò:        D₁ =1,58 m

- Đường kính vòng ngoài của ống:                                           D₂ =1,9 m

_- Vật liệu làm ống:                                                                    Thép C20

       2.4.3. Thông số khói

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

       2.4.4. Kết quả tính toán

- Tổng công suất nhiệt của lò than:                                Q = 2085,31 kW

- Lưu lượng dầu:                                                            V = 70 m³/h

- Lượng nhiên liệu tiêu hao khi đốt than:                      B_t = 348,05 kg/h

- Lượng nhiên liệu tiêu hao khi đốt khí biogas:            B_b = 499,57 m³/h

- Số vòi phun biogas:                                                     n_v = 2

- Số vòng ống trao đổi nhiệt:                                         n₀ = 40 vòng

- Hiệu suất của lò:                                                          η = 71,94 %

3. Kết luận

          Qua kết quả nghiên cứu các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao, chúng tôi có một số kết luận và đề xuất như sau:

- Dầu truyền nhiệt được đánh giá là là môi chất tải nhiệt tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cho hệ thống sấy ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trong các nhà máy sản xuất tinh bột sắn.

- Nhiệt độ truyền nhiệt, tốc độ dầu và kích thước hình học có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt. Các kết quả tính toán đưa ra ở các bảng số có thể dùng để tính khá chính xác hệ số truyền nhiệt thực tế của một thiết bị gia nhiệt không khí dùng dầu truyền nhiệt.

- Trong thời gian tới, nếu thời gian cho phép chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu cụ thể một mô hình thiết bị gia nhiệt không khí dùng dầu truyền nhiệt để kiểm tra lại những kết quả đã đạt được trong báo cáo này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]       Hoàng Văn Chước, Kỹ thuật sấy, NXB khoa học kỹ thuật.

[2]   Phạm Xuân Toản, Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt, NXB khoa học kỹ thuật.

[3]   Kristensen, High temperature drying of organically grown bread rye.

[4]   Tiemann, The Kiln Drying of Lumber.

LINK DOWNLOAD FULL BÀI VIẾT

Nguồn bài viết: 

Nguyễn Phi Hùng - Trần Ngọc Quảng (Cựu SV Khoa Nhiệt - Trường Đại học bách khoa Đà Nẵng).

PS: Đề tài này Admin làm khi còn là sinh viên :). Đề tài này được TS. Trần Văn Vang hướng dẫn.

NGHIÊN CỨU CÁC MÔI CHẤT TẢI NHIỆT DÙNG TRONG KỸ THUẬT SẤY Ở NHIỆT ĐỘ CAO

A RESEARCH HEAT LOAD SUBSTANCES USED IN HIGH TEMPERATURE DRYING TECHNIQUE

TÓM TẮT

         

            Môi chất tải nhiệt có nhiệm vụ truyền tải nhiệt năng từ nơi sản xuất nhiệt đến nơi tiêu thụ. Ngày nay, môi chất tải nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Đặc biệt với các hệ thống sấy ở nhiệt độ cao, môi chất tải nhiệt đóng vai trò quan trọng để gia nhiệt cho tác nhân sấy. Báo cáo này trình bày nghiên cứu các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao, trong đó chúng tôi đã giới thiệu, phân tích các tính chất nhiệt động, truyền nhiệt và khả năng không bị phân hủy do nhiệt độ của một số môi chất tải nhiệt phổ biến, qua đó lựa chọn dầu truyền nhiệt là môi chất tải nhiệt tối ưu và tiến hành nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt của môi chất này. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở cho những doanh nghiệp, đơn vị thiết kế chế tạo lò dầu truyền nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt… có thể tham khảo khi tính toán, lựa chọn môi chất tải nhiệt nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.

Từ khóa: Môi chất tải nhiệt, kỹ thuật sấy, nhiệt độ cao, hệ số tỏa nhiệt, dầu truyền nhiệt, tư vấn, hiệu quả kinh tế,…

ABSTRACT

Thermal fluid heat transfer has mission to transport heat energy from producing place to the place of consumption. Nowadays, the refrigerant heat load is applied widely in industry and daily life. Especially with the drying system at high temperature, thermal fluid plays an important role to heat the drying agent. This report presents the research of thermal environment in the technique used in high-temperature drying, in which we introduce and analyze the thermodynamic properties, heat transfer and capability can not be destroyed by heat of some universal heat load refrigerants, which is the choice of thermal oil is optimum heat load substance and studied heat coefficients of this refrigerant. The research results are the basis for the business,  units design and manufacture of heat transfer oil furnace, heat exchange equipment... can refer to calculations, choose heat load refrigerant to bring benefits economic highest.

           
 Key words: Refrigerant heat load, drying techniques, high temperature, heat coefficient, Thermal oil, advise, economic efficiency,...

1. Đặt vấn đề

            Phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp tránh được hư hại sản phẩm, nhưng có thể làm cho thời gian sấy kéo dài khiến những sản phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch không được sấy khô kịp thời, dẫn đến sản phẩm sẽ giảm phẩm chất, thậm chí bị hỏng gây ra tình trạng mất mùa sau thu hoạch. Vì vậy để quá trình sấy diễn ra nhanh nhằm giảm độ ẩm một cách nhanh chóng, ngăn chặn sự hư hỏng và đảm bảo chất lượng sản phẩm, người ta đã áp dụng phương pháp sấy ở nhiệt độ cao.

Phương pháp sấy ở nhiệt độ cao yêu cầu các vật liệu sấy là vật ẩm dễ sấy, chứa ẩm tự do hay ẩm mao dẫn, cường độ thoát ẩm diễn ra nhanh nên thời gian sấy ngắn. Do vậy, phương pháp này thiết bị sấy thường sử dụng là thiết bị sấy đối lưu với phương pháp cấp nhiệt gián tiếp hoặc trực tiếp. Trong đó phương pháp dùng môi chất tải nhiệt cấp nhiệt gián tiếp cho tác nhân sấy để sấy nhiên liệu trước khi đưa vào buồng đốt, sấy các hạt nông sản, sấy quặng và sấy các loại tinh bột mà đặc biệt biến là tinh bột sắn được sử dụng rất phổ biến.

            Hiện nay các môi chất tải nhiệt như hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt, khói nóng, dầu truyền nhiệt… đang được dùng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất tinh bột sắn của các nước trên thế giới như Thái Lan, Indonexia và ngay cả ở Việt Nam. Tuy nhiên, ở nước ta do điều kiện khí hậu thay đổi thất thường, nguồn điện không được duy trì liên tục trong quá trình sản xuất, chế độ vận hành chưa phù hợp gây mất an toàn, cháy nổ hệ thống, hơn nữa vấn đề lựa chọn và sử dụng các môi chất tải nhiệt cũng chưa có tài liệu nào hướng dẫn cụ thể nên hiệu quả mà các môi chất tải nhiệt mang lại còn nhiều hạn chế.

            Như vậy để giảm giá thành trong công đoạn sấy, nâng cao hiệu quả kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao. Cần phải có những nghiên cứu cũng như đưa ra đánh giá một cách tổng thể về các môi chất tải nhiệt này thì mới có thể tư vấn cho các doanh nghiệp cũng như các đơn vị sản xuất nhằm lựa chọn môi chất tải nhiệt tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.

2. Nội dung nghiên cứu

2.1. Tổng quan về các thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao

            Như ta đã biết, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao có nhiệt độ tác nhân sấy lớn hơn nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất không khí ẩm (chẳng hạn áp suất không khí ẩm p = 745mmHg nhiệt độ bão hòa tương ứng là 100⁰C).

              Ở Việt Nam, thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao đã và đang được ứng dụng rất có hiệu quả trong công nghệ sản xuất tinh bột sắn nhằm phục vụ cho các ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp thức ăn gia súc… Việt Nam sản xuất hàng năm hơn 2 triệu tấn sắn củ tươi, chỉ đứng hàng thứ 11 trên thế giới về sản lượng sắn, nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ 3 trên thế giới sau Thái Lan và Indonexia. Hiện nay cả nước có trên 60 nhà máy chế biến tinh bột sắn nằm rải rác chủ yếu ở các tỉnh Tây Ninh, Nghệ An, Bình Phước, Dăk Lăk, Kon Tum, Hòa Bình, Gia Lai, Phú Yên.

          Hầu hết các nhà máy đều sử dụng thiết bị sấy khí động có thời gian sấy ngắn (5 ÷ 7) s cho phép sấy ở nhiệt độ cao (100 ÷ 150)⁰C mà không sợ ảnh hưởng đến chất lượng của hạt tinh bột.

2.2. Giới thiệu về các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao

            Trong thiết bị sấy sử dụng nhiệt độ cao, tác nhân sấy được sử dụng nhiều nhất là không khí nóng. Vì vậy, môi chất tải nhiệt thường dùng để cấp nhiệt cấp nhiệt gián tiếp cho không khí trong các thiết bị trao đổi nhiệt. Các môi chất tải nhiệt phổ biến là hơi nước bão hòa, hơi nước quá nhiệt, khói nóng và dầu truyền nhiệt.

- Hơi nước bão hòa ngưng tụ tỏa nhiệt lớn nên calorife khí - hơi có cấu tạo gọn nhẹ, có thể làm cánh về phía không khí, thiết bị không bám bẩn, làm việc với nhiệt độ thấp nên tuổi thọ cao. Hơn nữa dễ điều chỉnh nhiệt độ của hơi bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi. Tuy nhiên hơi nước bão hòa không thể làm việc ở nhiệt độ cao vì nếu nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi càng tăng đồng thời nhiệt ẩn hóa hơi càng giảm. 

- Hơi quá nhiệt thường chỉ dùng trong trường hợp cấp nhiệt trực tiếp cho vật liệu sấy và sấy các vật liệu dễ cháy, dễ nổ. Hơi nước quá nhiệt có nhược điểm chính là hệ số truyền nhiệt thấp và trong quá trình chuyển tải nhiệt rất dễ ngưng tụ gây mất mát nhiệt. Bên cạnh đó hơi nước quá nhiệt cũng rất khó điều chỉnh nhiệt độ.

 - Khói lò làm môi chất tải nhiệt thì hệ thống thiết bị đơn giản, giá thành thấp. Nhược điểm của nó là calorife khí – khói làm việc ở nhiệt độ cao, bề mặt truyền nhiệt bị bám bụi… nên giảm tuổi thọ thiết bị, đồng thời calorife khí – khói có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn calorife khí - hơi nên tốn nhiều kim loại chế tạo, việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khó hơn so với calorifer khí – hơi.

- Dầu truyền nhiệt là môi chất tải nhiệt hoàn hảo, nhiệt độ sôi của nó khá cao nên áp suất làm việc của thiết bị thấp (3 ÷ 5) kg/cm², dễ dàng duy trì và điều chỉnh nhiệt độ. Nhưng dầu truyền nhiệt có giá thành cao và phải nhập từ nước ngoài nên việc sử dụng có phần bị hạn chế.

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

            Để lựa chọn được môi chất tải nhiệt cho các hệ thống sấy ở nhiệt độ cao thì cần phải nắm rõ tính chất nhiệt – hóa lý, tính kinh tế cũng như những ảnh hưởng đến môi trường của các môi chất đó. Dưới đây chúng tôi tiến hành so sánh các môi chất hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt, khói lò với dầu truyền nhiệt sử dụng cho hệ thống sấy ở nhiệt độ cao dựa trên một số chỉ tiêu cụ thể.  

Bảng 1. Đánh giá so sánh tính chất của dầu truyền nhiệt với hơi nước bão hòa, hơi nước quá nhiệt và khói lò

STT	Môi chất Chỉ tiêu so sánh	Hơi nước bão hòa	Hơi nước quá nhiệt	Khói lò
1	Khả năng trao đổi nhiệt	Tốt hơn	Kém hơn	Kém hơn
2	Khả năng điều chỉnh nhiệt độ	như nhau	Khó hơn nhiều	Khó hơn
3	Nhiệt độ làm việc cho phép	Thấp hơn nhiều	Thấp hơn	Lớn hơn
4	Áp suất làm việc	Cao hơn	Cao hơn	Cao hơn
5	Tính an toàn	Kém hơn	Như nhau	Như nhau
6	Kích thước thiết bị trao đổi nhiệt	Lớn hơn	Lớn hơn	Lớn hơn nhiều
7	Tuổi thọ của thiết bị trao đổi nhiệt	Thấp hơn	Thấp hơn	Thấp hơn nhiều
8	Chi phí đầu tư ban đầu	Cao hơn	Cao hơn	Thấp hơn
9	Chi phí vận hành, bảo dưỡng	Đắt hơn	Đắt hơn	Đắt hơn nhiều
10	Hiệu suất sử dụng thiết bị	Thấp hơn	Như nhau	Thấp hơn nhiều
11	Bảo vệ môi trường	Tốt hơn	Tốt hơn	Như nhau
12	Phạm vi ứng dụng	Hẹp hơn	Hẹp hơn nhiều	Như nhau

         

          Từ bảng so sánh tính chất của dầu truyền nhiệt với các môi chất khác ta nhận thấy: Dầu truyền nhiệt có những ưu điểm hoàn toàn nổi trội như khả năng điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng, nhiệt độ làm việc cho phép cao, có thể làm việc ở áp suất thấp, đảm bảo an toàn, thiết bị nhỏ gọn hoạt động lâu dài với hiệu suất sử dụng cao. Hơn nữa dầu truyền nhiệt có khả năng trao đổi nhiệt rất tốt và phạm vi ứng dụng rộng.

          Như vậy khi lựa chọn môi chất tải nhiệt cho hệ thống sấy ở nhiệt độ cao mà đặc biệt ở Việt Nam trong các nhà máy sản xuất tinh bột sắn thì dầu truyền nhiệt được xem là phương án tối ưu và mang lại hiệu quả kinh tế lớn nhất.

2.3. Ảnh hưởng của một số đại lượng đến hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt.

            Khi nghiên cứu về dầu truyền nhiệt, chúng tôi đã tiến hành tính toán xác định hệ số tỏa nhiệt của môi chất này theo một số đại lượng như nhiệt độ truyền nhiệt, tốc độ dầu truyền nhiệt, kích thước hình học. Qua đó rút ra ảnh hưởng của các đại lượng đến hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt.

            Dữ liệu tính toán cụ thể như sau:

            - Dầu truyền nhiệt chuyển động cưỡng bức bên trong ống nằm ngang.

            - Nhiệt độ truyền nhiệt t_f1: 200, 220, 240, 260, 280 và 300⁰C

             - Tốc độ dầu truyền nhiệt w₁: 0,5; 1,2; 1,8; 2,5 và 3 m/s

            - Đường kính trong của ống d₁: 40, 52, 68, 84, 97, 110 và 125mm

            Các kết quả tính toán hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt được thể hiện trong các bảng 2, 3 và 4.

Bảng 2. Hệ số tỏa nhiệt của dầu theo nhiệt độ truyền nhiệt (W/m²K)

Giả thiết		Nhiệt độ truyền nhiệt của dầu tf1 [0C]
w1 [m/s]	d1 [m]	200	220	240	260	280	300
1,8	0,084	1375,95	1443,38	1514,73	1572,12	1622,76	1669,11

Bảng 3. Hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt theo tốc độ w₁ (W/m²K)

Giả thiết		Tốc độ dầu truyền nhiệt w1 [m/s]
tf1 [0C]	d1 [m]	0,5	1,2	1,8	2,5	3
260	0,084	561,2	1135,21	1572,12	2046,06	2368,21

Bảng 4. Hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt theo đường kính trong của ống d₁ (W/m²K)

Giả thiết		Đường kính trong của ống d1 [mm]
w1 [m/s]	tf1 [0C]	40	52	68	84	97	110	125
1,8	260	1814,02	1721,48	1631,89	1572,12	1544,15	1518,28	1485,87

Nhận xét:

1. Dầu truyền nhiệt có hệ số tỏa nhiệt lớn hơn nhiều so với các môi chất tải nhiệt khác như hơi nước quá nhiệt, khói lò.

2. Ở trong cùng một điều kiện cụ thể:                                                  

- Khi nhiệt độ truyền nhiệt hoặc tốc độ dầu truyền nhiệt càng tăng thì hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt càng tăng.

- Khi đường kính trong của ống càng tăng thì hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt càng giảm.             

3. Các kết quả tính toán đưa ra ở các bảng số có thể sử dụng để tính toán một cách khá chính xác hệ số truyền nhiệt thực tế của các thiết bị gia nhiệt dùng dầu truyền nhiệt.

4. Qua quá trình tính toán còn cho thấy, với các dữ liệu tính toán như trên, hầu hết các trường hợp dầu truyền nhiệt chảy rối trong ống. Hơn nữa hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ vách t_w. Như vậy ta có thể khái quát thành công thức tổng quát để xác định gần đúng hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt chuyển động trong ống trơn nằm ngang cụ thể như sau:

              

          Trong đó:      ω₁ – Tốc độ dầu truyền nhiệt, m/s; d₁ – Đường kính trong của ống, m

                               C_pf1, ρ_f1, λ_f1, ν_f1 là các thông số vật lý của dầu ở nhiệt độ truyền nhiệt t_f1

2.4. Thiết kế lò dầu truyền nhiệt công suất công suất 1,8 triệu kCal/h

          Ngày nay, lò gia nhiệt không khí sử dụng dầu truyền nhiệt được dùng rất phổ biến tại các nhà máy sản xuất tinh bột sắn. Ở đây chúng tôi đã tiến hành tính toán thiết kế một lò dầu truyền nhiệt cụ thể với công suất 1,8 triệu kCal/h.

2.4.1.Thông số và phương pháp tính toán

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

    

          Để tính toán nhiệt của lò ta tiến hành tính toán cho từng pass một. Pass thứ nhất cũng chính là buồng lửa nên trao đổi nhiêt chủ yếu là trao đổi kiểu bức xạ, ở pass 2 và pass 3 nhiệt độ vẫn cao nên trao đổi nhiệt đồng thời cả hai bức xạ và đối lưu.

2.4.2. Cấu trúc lò dầu truyền nhiệt

            Lò dầu truyền nhiệt cấu tạo gồm buồng đốt và phần trao đổi nhiệt. Thân lò là lớp thép tấm CT3 dày 8mm. Diện tích trao đổi nhiệt gồm hai dãy vòng ống xoắn lò xo xếp sát nhau.

- Chiều cao của lò:                                                                     H = 5,517 m       

- Chiều rộng của lò:                                                                    L = 2,2 m

- Đường kính ống trao đổi nhiệt:                                              d = 0,09 m

- Đường kính vòng ống trao đổi nhiệt phía trong thân lò:        D₁ =1,58 m

- Đường kính vòng ngoài của ống:                                           D₂ =1,9 m

_- Vật liệu làm ống:                                                                    Thép C20

       2.4.3. Thông số khói

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

       2.4.4. Kết quả tính toán

- Tổng công suất nhiệt của lò than:                                Q = 2085,31 kW

- Lưu lượng dầu:                                                            V = 70 m³/h

- Lượng nhiên liệu tiêu hao khi đốt than:                      B_t = 348,05 kg/h

- Lượng nhiên liệu tiêu hao khi đốt khí biogas:            B_b = 499,57 m³/h

- Số vòi phun biogas:                                                     n_v = 2

- Số vòng ống trao đổi nhiệt:                                         n₀ = 40 vòng

- Hiệu suất của lò:                                                          η = 71,94 %

3. Kết luận

          Qua kết quả nghiên cứu các môi chất tải nhiệt dùng trong kỹ thuật sấy ở nhiệt độ cao, chúng tôi có một số kết luận và đề xuất như sau:

- Dầu truyền nhiệt được đánh giá là là môi chất tải nhiệt tối ưu mang lại hiệu quả kinh tế cho hệ thống sấy ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trong các nhà máy sản xuất tinh bột sắn.

- Nhiệt độ truyền nhiệt, tốc độ dầu và kích thước hình học có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số tỏa nhiệt của dầu truyền nhiệt. Các kết quả tính toán đưa ra ở các bảng số có thể dùng để tính khá chính xác hệ số truyền nhiệt thực tế của một thiết bị gia nhiệt không khí dùng dầu truyền nhiệt.

- Trong thời gian tới, nếu thời gian cho phép chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu cụ thể một mô hình thiết bị gia nhiệt không khí dùng dầu truyền nhiệt để kiểm tra lại những kết quả đã đạt được trong báo cáo này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]       Hoàng Văn Chước, Kỹ thuật sấy, NXB khoa học kỹ thuật.

[2]   Phạm Xuân Toản, Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt, NXB khoa học kỹ thuật.

[3]   Kristensen, High temperature drying of organically grown bread rye.

[4]   Tiemann, The Kiln Drying of Lumber.

LINK DOWNLOAD FULL BÀI VIẾT

Nguồn bài viết: 

Nguyễn Phi Hùng - Trần Ngọc Quảng (Cựu SV Khoa Nhiệt - Trường Đại học bách khoa Đà Nẵng).

PS: Đề tài này Admin làm khi còn là sinh viên :). Đề tài này được TS. Trần Văn Vang hướng dẫn.

Chuyên mục: F. Bài viết chuyên ngành Nhiệt Lạnh (Heat and Refrigeration) F. Bài viết kỹ thuật