Cơ Chế Gia Nhiệt bằng Hơi Nước

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách hơi nước cung cấp khả năng gia nhiệt nhanh và đồng đều. Sau đó, chúng ta sẽ thảo luận về tốc độ truyền nhiệt với dữ liệu thực nghiệm so sánh giữa nước nóng và hơi nước.

Làm Thế Nào Hơi Nước Cung Cấp Gia Nhiệt Ổn Định và Đồng Đều?

Khác với truyền nhiệt bằng đối lưu (ví dụ: nước nóng), truyền nhiệt bằng ngưng tụ (ví dụ: hơi nước) không làm thay đổi nhiệt độ. Khi hơi nước ngưng tụ trên bề mặt truyền nhiệt, nó giải phóng nhiệt ẩn vào sản phẩm cần gia nhiệt. Lượng nước ngưng tụ tạo ra vẫn giữ nguyên nhiệt hiện, do đó nó có cùng nhiệt độ với hơi nước ban đầu. Điều này giúp quá trình gia nhiệt diễn ra đồng đều trên toàn bộ bề mặt truyền nhiệt.

Nếu áp suất tại bề mặt truyền nhiệt (ví dụ: lớp áo, vỏ hoặc cuộn dây của thiết bị) được duy trì ổn định, quá trình gia nhiệt có thể tiếp tục ở cùng một nhiệt độ tại mọi điểm trên bề mặt.

Ngược lại, với gia nhiệt bằng nước nóng hoặc dầu, nhiệt độ của môi chất giảm dần khi nhiệt hiện được truyền từ môi chất sang sản phẩm. Do đó, gradient nhiệt độ liên tục giảm vì mỗi đơn vị nhiệt truyền đi cũng làm giảm nhiệt độ của môi chất. Điều này có thể dẫn đến gia nhiệt không đồng đều, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm.

Làm Thế Nào Hơi Nước Cung Cấp Gia Nhiệt Nhanh?

Truyền Nhiệt Từ Quá Trình Ngưng Tụ (Hơi Nước)

Bí quyết nằm ở quá trình truyền nhiệt thông qua ngưng tụ.

Nhiệt ẩn trong hơi nước được giải phóng ngay lập tức khi hơi ngưng tụ thành thể lỏng. Lượng nhiệt ẩn này lớn gấp 2–5 lần so với nhiệt hiện có trong nước nóng (nước bão hòa) sau khi ngưng tụ. Nhiệt ẩn được giải phóng tức thời và truyền qua bề mặt truyền nhiệt vào sản phẩm cần gia nhiệt.

Truyền Nhiệt Bằng Đối Lưu (Nước Nóng và Dầu)

Ngược lại, nước nóng và dầu truyền nhiệt bằng đối lưu, không liên quan đến sự thay đổi trạng thái. Nếu chỉ dựa vào đối lưu tự nhiên, tốc độ truyền nhiệt rất chậm. Do đó, người ta thường sử dụng bơm để tạo dòng chảy ép lên bề mặt truyền nhiệt, nhằm tăng tốc độ truyền nhiệt. Đây được gọi là gia nhiệt đối lưu cưỡng bức.

Tốc Độ Truyền Nhiệt

Tốc độ truyền nhiệt giữa chất lỏng chuyển động và bề mặt rắn thường được biểu thị bằng hệ số truyền nhiệt đối lưu. Giá trị của nó thường nằm trong khoảng:

• 1000–6000 W/(m²°C) [176–1057 Btu/(hr·ft²°F)] đối với nước nóng
• 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 chỉ phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt đối lưu mà còn bao gồm ba cơ chế sau:

1. Truyền nhiệt từ môi chất gia nhiệt đến bề mặt trao đổi nhiệt
2. Truyền nhiệt qua thành của bộ trao đổi nhiệt
3. Truyền nhiệt từ bề mặt thành thiết bị vào sản phẩm cần gia nhiệt

Do đó, để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt, người ta sử dụng hệ số truyền nhiệt tổng (U-value), bao gồm cả ba cơ chế trên. Đơn vị của nó vẫn là W/(m²°C) hoặc Btu/(hr·ft²°F).

Dữ Liệu Thực Nghiệm

U-value có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào ứng dụng, nhưng dữ liệu thực nghiệm cho thấy gia nhiệt bằng hơi nước có thể đạt U-value cao hơn 1,7 lần so với nước nóng. Dưới đây là một ví dụ về cải thiện hiệu suất khi chuyển từ gia nhiệt bằng nước nóng sang hơi chân không tại một công ty hóa chất:

Nhiệm vụ: Tăng tốc sản xuất bằng cách giảm thời gian cô đặc dung môi hóa chất.
Ngành: Hóa chất tinh khiết
Thiết bị: Nồi có lớp áo tráng thủy tinh (10m³)

Phương pháp	Hệ số truyền nhiệt đối lưu	Hệ số truyền nhiệt tổng (U-value)	Thời gian gia nhiệt
Nước nóng	500 W/m²°C [88.1 Btu/(hr·ft²°F)]	213 W/m²°C [37.5 Btu/(hr·ft²°F)]	10 giờ
Hơi chân không	10000 W/m²°C [1761 Btu/(hr·ft²°F)]	356 W/m²°C [62.7 Btu/(hr·ft²°F)]	7 giờ

Kết quả cho thấy U-value tăng 1,7 lần, giúp giảm đáng kể thời gian sản xuất.

Để tìm hiểu sâu hơn về các công thức tính hệ số truyền nhiệt tổng, hãy đọc bài viết chi tiết tại đây.

Nguồn: TLV
Người dịch: Thanh Dương