Hỏi về truyền nhiệt , ngưng tụ

Hỏi về truyền nhiệt , ngưng tụ

Tôi đang làm đồ án môn học về thiết kế thiết bị ngưng tụ hơi Acetone .Tôi chưa được dạy về truyền nhiệt , nên có nhiều thắc mắc , mong các bạn giải đáp giúp .

Cụ thể là tôi có một lưu lượng hơi Acetone + không khí khoảng 8000 met khối/h ở nhiệt độ 35 oC . Yêu cầu tôi phải thiết kế một thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ lượng hơi Acetone trong hỗn hợp khí này .

Với những số liệu đầu vào và các số liệu của Acetone từ bảng tra , tôi tính được rằng hơi Acetone đầu vào của tôi là hơi quá nhiệt . Tôi sử dụng thiết bị vỏ ống 1-1 , nằm ngang để ngưng tụ dạng màng hơi quá nhiệt này , yêu cầu của đề bài là không cần phải sử dụng thêm một thiết bị desuperheat trước thiết bị ngưng tụ cho đỡ tốn kém.

Như vậy khi hỗn hợp khí vào thiết bị ngưng tụ , thì sẽ xảy ra quá trình giảm nhiệt hơi trước rồi mới đến giai đoạn ngưng tụ hơi .

Tôi thắc mắc sự biến thiên nhiệt độ của dòng nóng trong thiết bị sẽ như thế nào dọc theo chiều dài bên trong thiết bị . Trong thiết bị sẽ phân làm hai vùng rõ rệt theo hai quá trình trên mà ở mỗi vùng sẽ có một hệ số truyền nhiệt , biến thiên nhiệt độ trung bình (MTD) riêng ?

Có phải nhiệt độ của dòng nóng sẽ giảm dần về nhiệt độ hơi bão hòa của hơi Acetone ứng với áp suất riêng phần của nó ở vùng thứ nhất , sau đó sẽ là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt hơi Acetone ở vùng thứ 2 ? Thầy hướng dẫn của tôi muốn tôi tính như vậy . Nhưng tôi thấy kì quá.

-Thứ nhất :
Theo tôi tính toán thì với áp suất như đầu vào thì nhiệt độ của hơi bão hòa sẽ là 17 độ C . Nhưng đó chỉ là nhiệt độ mà hơi Acetone bắt đầu ngưng tụ . Khi hơi ngưng tụ thì nồng độ của hơi Acetone trong khí sẽ giảm --> Áp suất riêng phần của hơi cũng giảm theo . Mà khi áp suất riêng phần giảm thì nhiệt độ ngưng tụ của nó sẽ hạ xuống . Vì vậy nếu chỉ cung cấp nhiệt đủ để duy trì hơi ở nhiệt độ 17oC thì sẽ chẳng có bao nhiêu hơi ngưng tụ xuống . Do đó tôi mới tính nhiệt độ để hơi ngưng tụ được 50% là bao nhiêu (ứng với áp suất riêng phần lúc đó) ! Thì thấy là phải hạ xuống còn 5 độ C thì hơi mới ngưng được 50 % .
Như vậy quá trình ngưng tụ đâu phải là đẳng nhiệt ? Nhiệt độ của hơi sẽ hạ dần dần trong lúc ngưng mà ?
Tôi đọc rất nhiều sách về truyền nhiệt và trao đổi nhiệt , lên mạng tìm hiểu , cũng đều thấy họ cho rằng giai đoạn ngưng tụ là thì hơi là đẳng nhiệt .

-Thứ hai :
Như tôi nói ở trên 17 độ C chỉ mới là nhiệt độ của hơi bắt đầu ngưng , vậy tại sao các sách đều lấy nhiệt độ này làm nhiệt độ ngưng tụ cho cả quá trình . Nếu làm vậy thì có phải hiệu suất sẽ rất thấp ?

Có lẽ suy nghĩ của tôi còn nông cạn . Hi vọng ai đó có thể chỉ ra chổ sai của tôi .


Được cuong_quoc sửa chữa / chuyển vào 12:41 ngày 18/03/2004

Được cuong_quoc sửa chữa / chuyển vào 12:46 ngày 18/03/2004

Không rõ vùng 1 và vùng 2 bạn nói là vùng nào nên khó có thể tìm câu trả lời xác đáng cho những câu hỏi của bạn.
Trajan hình dung thiết bị ngưng tụ hơi acetone của bạn như thế này. Dòng hơi nóng chứa hơi acetone và air chảy trong một ống tròn và được làm lạnh bằng chất lỏng (nước?) chảy bên ngoài ống? Nếu bạn chia vùng 1 (giảm nhiệt độ của hỗn hợp tới nhiệt độ hơi bão hòa) và vùng 2 (ngưng tụ của acetone) theo chiều dài của ống (axial direction) thì không chính xác bởi vì quá trình ngưng tụ diễn ra trên thành ống chứ không phải diễn ra bên trong ống. Mặc dù nhiệt độ hỗn hợp có biến đổi theo axial direction nhưng hơi acetone ngưng tụ không phải vì sự biến đổi này. Hơi acetone ngưng tụ bởi vì sự biến đổi nhiệt độ theo radial direction ở gần thành ống (trên bề mặt của liquid thermal boundary layer). Khi có chất làm lạnh chảy bên ngoài thành ống thì nhiệt độ của thành ống thấp hơn nhiệt độ của hỗn hợp khi và cần thấp hơn nhiệt độ hơi bão hòa của acetone để cho quá trình ngưng tụ có thể diễn ra. Câu "quá trình ngưng tụ ở một áp suất cho trước là quá trình đẳng nhiệt" có ý nghĩa là trong suốt quá trình chuyển đổi từ thể hơi sang thể lỏng của một chất, nhiệt độ không thay đổi. Nhiệt độ trên thành ống thay đổi theo axial direction nhưng quá trình ngưng tụ của hơi acetone diễn ra tại từng vị trí trên thành ống hoàn toàn đẳng nhiệt và nhiệt độ đó tương ứng viết nhiệt độ hơi bão hòa của acetone.
Vấn đề khó khăn nhất chỉ là sự biến thiên của nhiệt độ hơi bão hòa (saturation temperature, T_sat) theo axial direction. Các phần khác chỉ là một bài heat exchanger không quá phức tạp. Theo ý kiến của Trajan, cách giải bài condensation phụ thuộc nhiều vào hiệu số (T_sat - T_s) thay vì T_sat, trong đó T_s là nhiệt độ của thành ống. Do đó, bạn có thể giả sử rằng mặc dù T_sat thay đổi nhưng (T_sat - T_s) không thay đổi nhiều. Bạn có thể đạt được điều kiện này nếu thiết bị ngưng tụ của bạn là một counterflow heat exchanger.
Ý kiến ở trên của Trajan rất giới hạn vì mình chỉ có nghiên cứu chút ít về heat transfer. Vấn đề bạn đang quan tâm liên quan nhiều đến heat and mass transfer. Bạn nên tìm đọc một số sách không những về heat transfer mà về cả mass transfer và trao đổi thêm với những người thuộc lĩnh vực chemical engineering.

Đây , thiết bị ngưng tụ của tôi như thế này

Không rõ vùng 1 và vùng 2 bạn nói là vùng nào nên khó có thể tìm câu trả lời xác đáng cho những câu hỏi của bạn.
Vùng 1 là phía gần đầu vào của thiết bị , lúc hơi mới vào , vùng 2 là phần còn lại phía sau .
...Nhiệt độ trên thành ống thay đổi theo axial direction nhưng quá trình ngưng tụ của hơi acetone diễn ra tại từng vị trí trên thành ống hoàn toàn đẳng nhiệt và nhiệt độ đó tương ứng với nhiệt độ hơi bão hòa của acetone.
Đúng, tôi đồng ý đoạn này , không có gì bất hợp lý , đặc biệt là câu này . Tức là bạn đồng ý tại một điểm thì có đẳng nhiệt , nhưng trên suốt chiều dài là giảm dần chứ không phải đẳng ?
Vấn đề khó khăn nhất chỉ là sự biến thiên của nhiệt độ hơi bão hòa (saturation temperature, T_sat) theo axial direction.
Câu này có nghĩa là bạn đồng ý với tôi : nhiệt độ của hơi acetone sẽ giảm dọc theo thành thiết bị , ngay cả trong lúc ngưng tụ ?
Các phần khác chỉ là một bài heat exchanger không quá phức tạp. Theo ý kiến của Trajan, cách giải bài condensation phụ thuộc nhiều vào hiệu số (T_sat - T_s) thay vì T_sat, trong đó T_s là nhiệt độ của thành ống. Do đó, bạn có thể giả sử rằng mặc dù T_sat thay đổi nhưng (T_sat - T_s) không thay đổi nhiều.
Điều này làm sao mà chắc được . Hơn nữa các sách đều vẽ ngưng tụ là đẳng nhiệt dọc theo thiết bị kìa , tức là T_sat của họ là constant . Vậy tui mới ''''''''điên'''''''' .
Bạn có thể đạt được điều kiện này nếu thiết bị ngưng tụ của bạn là một counterflow heat exchanger.
Đúng là thiết bị của tôi là counterflow heat xchange
Được cuong_quoc sửa chữa / chuyển vào 20:02 ngày 18/03/2004
Được cuong_quoc sửa chữa / chuyển vào 20:03 ngày 18/03/2004

Đây là sơ đồ đơn giản .
Tôi thì làm ngược lại bạn Trajan nói . Tôi cho hơi acetone đi bên ngoài , còn nước muối lạnh đi phía trong ống , nghĩa là hơi acetone sẽ ngưng tụ trên thành ống .
Chiều nay tôi lại vào thư viện lục thêm một số sách tiếng Anh nữa . Sách nào cũng mặc định :"ngưng tụ" thì dòng nóng là đẳng nhiệt dọc theo chiều dài thiết bị . Không một lời giải thích , hình như đây là sự thực hiển nhiên rồi hay sao ấy .

Khi giải quyết các bài toán trong khoa học kỹ thuật, chúng ta không phải lúc nào cũng có được những điều chắc chắn. Nhiệm vụ của người kỹ sư là đơn giản hóa vấn đề, thiết lập mô hình để có thể giải được vấn đề và cuối cùng dùng kết quả có được để kiểm tra lại mô hình đó.
- Trajan đồng ý với bạn là T_sat giảm khi hỗn hợp khí đi từ đầu vào đến đầu ra của dòng nóng. Tuy nhiên, vì đây là một counterflow heat exchanger (tức là dòng lạnh chảy ngược chiều với dòng nóng) nên nhiệt độ trên thành ống tăng lên từ đầu vào đến đầu ra của dòng lạnh (tức là nhiệt độ trên thành ống giảm từ đầu vào đến đầu ra của dòng nóng.) Do đó, chúng ta có lý do tin tưởng rằng (T_sat - T_s) sẽ thay đổi không nhiều nhưng vấn đề là ta không biết giá trị (T_sat - T_s) sẽ bằng bao nhiêu. Nếu Trajan làm bài toán ngưng tụ này, mình sẽ đặt ra giả thuyết (T_sat - T_s) = constant, C1. Heat transfer cho phép ta tính condensation rate. Bạn biết mass flow rate ở đầu vào. Dựa vào hai tốc độ này bạn có thể biết được sự thay đổi về mole fraction của acetone trong hỗn hợp khí và từ đó tính sự thay đổi về áp suất riêng phần của acetone. Clausius-Clapeyron equation cho phép ta tính sự thay đổi của T_sat theo áp suất riêng phần của acetone. Heat transfer cũng cho phép bạn tính được sự thay đổi của T_s dọc theo thành ống. Sử dụng hai kết quả này so sánh xem (T_sat - T_s) ở từng vị trí có bằng giá trị C1 không. Nếu không, chọn giá trị mới này là C2 và tính lại condensation rate .... rồi so sánh. Bằng iteration, bạn có thể tìm được giá trị C thích hợp.
Tại sao ta phải đặt ra giả thuyết (T_sat - T_s) = constant? Để tính condensation rate, trước hết ta cần tìm heat transfer coefficient tại từng vị trí dọc theo thành ống, h_x, rồi integrate nó dọc theo chiều dài L của ống để tính average heat transfer coefficient, h_L. h_x có thể tính được nếu ta biết được thermal boundary layer thickness, delta_x. Để tính delta_x, ta phải integrate một biểu thức toán học dọc theo x-direction. Biểu thức này có chứa (T_sat - T_s). Do đó, nếu cho (T_sat - T_s) là hằng số thì ta có thể đơn giản hóa bài toán rất nhiều.

Chào bạn ,
Tôi đang tính thô , tôi cần biết LMTD (log mean temperature difference) , do đó tôi mới cần sự biến đổi nhiệt độ của dòng nóng .
Cái tôi rất cần hiểu bây giờ là tại sao các sách đều nói như thế kia .
Còn tính toán thì sách cũng đã chỉ rất kỹ , chưa lo . Với lại tôi không nghĩ rằng T-sat - T-s là ít thay đổi dọc theo chiều dài thiết bị .
Cám ơn bạn đã hướng dẫn cách tính , nhưng quá phức tạp , vì còn phải xét đến tổn thất áp lực , ảnh hưởng của khí không ngưng , cáu bẩn ...
Bạn có nghĩ rằng sách sai ?

Rất tiếc là bạn Cuong_quoc không nói thật rõ ràng các điều kiện của bài toán. Theo tôi bạn cần xác định nhiệt độ đầu vào và ra của dòng nóng (dựa trên yêu cầu bao nhiêu acetone cần được ngưng tụ, ví dụ như bạn đã tính 50%-17oC ), của dòng lạnh (bạn đã có nhiệt độ đầu vào? xác định nhiệt độ đầu ra dựa trên giới hạn cho phép hoặc lưu lượng của dòng lạnh). Bạn có thể giả thiết là nhiệt độ của dòng nóng và lạnh linearly change dọc theo axial direction.
Bạn cũng có thể thiết bị làm 2 phần để tính toán tiếp.
Lúc này bạn đã có thể tính được log MTD.
Sau đó xác định kiểu thiết bị --> MTD.
Chọn một giá trị cho overall heat transfer coefficient
Lặp lại quá trình tính diện tích trao đổi nhiệt, các hệ số trao đổi nhiệt riêng rẽ..cho đến khi giá trị tính được gần bằng giá trị chọn
Cuối cùng bạn có thể tối ưu hoá condenser.
Cách tôi trình bày ở trên là các bước thông thuờng của một người kỹ sư khi tính toán thiết bị truyền nhiệt. Còn nếu bạn muốn xác định chính xác (như các nhà khoa học) temperature profiles (at steady state) thì cần thiết lập một (vài) phương trình vi phân cho quá trình truyền nhiệt rồi giải bài toán theo các bước như trên.

Ah, chào anh Tranm 1978 !
Xấu hổ quá ! Xấu hổ quá ! Sai trầm trọng rồi .Làm mất cả tuần mò mẩm
Sách họ nói dung rồi , chỉ tại em đọc không kỹ , dung là đẳng nhiệt nếu như hơi là nguyên chất .
Còn trường hợp của em là hơi có lẫn khí không ngưng thì nhiệt độ giảm dần . đúng rồi , không còn gì kì cục nữa .

-Bạn tranm1978 đã trình bày cách LMTD. Phương pháp LMTD rất thuận tiện khi bạn biết cả 4 nhiệt độ (nhiệt độ vào và ra của dòng nóng và dòng lạnh). Khi bạn chưa biết hết 4 nhiệt độ, để giải bài toán bằng phương pháp LMTD, bạn cần iterate như tranm1978 đã trình bày.
-Ngoài phương pháp LMTD, người ta thường sử dụng phương pháp effectiveness-NTU khi thông tin về các nhiệt độ này chưa sẵn có. Phương pháp e-NTU đòi hỏi bạn phải biết overall heat transfer coefficient U trước. Trong bài ngưng tụ này, bạn có thể tính được U dựa trên mass flow rate của dòng nóng, dòng lạnh và sự ngưng tụ.
Cả hai phương pháp đều cho kết quả như nhau nhưng LMTD cho kết quả nhanh hơn khi bạn biết được 4 nhiệt độ. Trong những trường hợp còn lại, sử dụng phương pháp e-NTU thường cho kết quả nhanh hơn.