Việc sử dụng hơi nóng để làm nóng bình đun lại có hợp lý không?
Thread Content
Như tiêu đề đã nêu, trong quá trình thiết kế tháp chưng cất, người ta thường sử dụng hơi nước quá nhiệt với áp suất 0,55 MPa để làm nóng bộ tái bay hơi. Thông thường, người ta sử dụng hơi nước bão hòa. Vậy việc sử dụng hơi nước quá nhiệt để làm nóng có gì bất lợi không? Xin các thầy cô chỉ bảo một chút! Cảm ơn!Ba vấn đề chính cần xem xét là: chi phí năng lượng, các chỉ số kỹ thuật, và an toàn của thiết bị. Cụ thể:
1. Chi phí năng lượng: Việc tính toán khá đơn giản. Giả sử rằng toàn bộ hơi nước quá nhiệt có thể được ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt, thì lượng hơi nước cần sử dụng sẽ là W = Q/r = 1000 * 3600 / 2297 = 1567 kg/giờ. Con số này ít hơn so với mức 1735 kg/giờ trước đây, tức là giảm 1735 – 1567 = 168 kg/giờ. Tỷ lệ giảm là 9,7%, gần bằng 10%. Các đường ống và van hiện có vẫn có thể được tiếp tục sử dụng. 。 Người lãnh đạo nghe xong, Ồ, mức tiêu hao giảm xuống, các van trong đường ống vẫn có thể được sử dụng tiếp, thật tốt quá (Xin lỗi nhé, thưa người lãnh đạo, vì những chuyện xấu thường được nói ở phần sau). 。 2. Các chỉ số kỹ thuật: Đầu tiên, bạn cần kiểm tra xem diện tích trao đổi nhiệt của E101 có đủ hay không. Nói cách khác, diện tích trao đổi nhiệt của E101 khi sử dụng hơi quá nhiệt có đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật hay không. Nếu không, các con số về mức tiêu thụ năng lượng được tính toán ở bước 1 sẽ hoàn toàn vô nghĩa. Do việc sử dụng hơi nước có nhiệt độ cao, nên trong E101 chắc chắn sẽ có giai đoạn giải phóng nhiệt hiển nhiên và giai đoạn giải phóng nhiệt ẩn. Nói cách khác, hơi nước chỉ có thể ngưng tụ sau khi mất đi lượng nhiệt với nhiệt độ 100°C. Quá trình này được chia thành hai bước: từ hơi nước ở nhiệt độ 262°C xuống còn 162°C, rồi từ đó chuyển thành nước ở nhiệt độ 162°C. Giai đoạn đầu là quá trình giải phóng nhiệt hiển nhiên, còn giai đoạn sau là quá trình giải phóng nhiệt ẩn. Nếu công suất nhiệt vẫn giữ nguyên ở mức 1000kW, thì ta có thể tính toán công suất nhiệt cho từng giai đoạn như sau: Đối với giai đoạn giải phóng nhiệt hiển nhiên, ta lấy giá trị trung bình của hệ số nhiệt dung riêng ở hai nhiệt độ 262°C và 162°C: Cp = (2.5129 + 2.1047) / 2 = 2.3088 kJ/kg·°C. Do đó, công suất nhiệt Q1 = WCpΔT = 1567 × 2.3088 × 100 = 361.842 kJ/h ≈ 101 kW. Con số này chiếm khoảng 10% tổng công suất nhiệt ; Giai đoạn trao đổi nhiệt ẩn: Rất đơn giản, 1000 – 101 = 899 kW. Chỉ cần trừ đi lượng nhiệt được trao đổi ở giai đoạn trao đổi nhiệt hiển nhiên là được. Giai đoạn này chiếm 90% tổng lượng nhiệt cần trao đổi. Việc tính toán diện tích cũng rất đơn giản: Giai đoạn trao đổi nhiệt ẩn chiếm 90%, và điều kiện hoạt động trong giai đoạn này giống hệt với điều kiện hoạt động ban đầu. Vì vậy, có thể áp dụng tỷ lệ chiết khấu 10%. Như vậy, F = 40 x 90% = 36 m². Nghĩa là, trong tổng diện tích trao đổi nhiệt là 40 m², thì giai đoạn trao đổi nhiệt ẩn cần chiếm 36 m², còn 4 m² còn lại dành cho giai đoạn trao đổi nhiệt hiển nhiên. Vậy liệu điều này có đủ để thực hiện quá trình chuyển đổi từ 262 hơi thành 162 hơi hay không? Việc tính toán giai đoạn truyền nhiệt hiển nhiên cũng không khó lắm. Việc xác định giá trị hệ số truyền nhiệt tổng thể đòi hỏi một chút kinh nghiệm. Nhìn chung, hệ số truyền nhiệt ở phía khí rất thấp. Lý do tại sao E101 lại có giá trị hệ số truyền nhiệt tổng thể lên tới 500 là vì ở một bên xảy ra quá trình ngưng tụ hơi nước, còn ở bên kia là quá trình bay hơi của dung dịch bão hòa – đều là những quá trình có sự biến pha, vì vậy hệ số truyền nhiệt ở các bên này đều rất cao. Tuy nhiên, khi sử dụng hơi nước quá nhiệt, giá trị hệ số truyền nhiệt ở phía hơi nước quá nhiệt thường chỉ vào khoảng vài chục mà thôi; khó có thể vượt quá 100. Hệ số truyền nhiệt tổng thể thường được xác định dựa trên giá trị thấp nhất. Dù giá trị hệ số truyền nhiệt ở phía dung dịch bão hòa có cao đến đâu cũng chẳng có ích gì. Bạn có thể lấy giá trị K = 100 để tính toán. Dù sao thì đây cũng chỉ là giá trị ước lượng mà thôi; nếu kết quả mô phỏng không chính xác thì cũng không sao, vì vẫn còn sai số cho phép. Áp lực nhiệt đã được biết; hệ số truyền nhiệt tổng thể được ước tính là 100. Khoảng chênh lệch nhiệt độ còn lại có thể được tính toán. Ở đây, ta sử dụng giá trị chênh lệch nhiệt độ logarit. Chênh lệch nhiệt độ ở đầu lạnh: 162 – 112 = 50℃; chênh lệch nhiệt độ ở đầu nóng: 262 – 112 = 150℃. Giá trị chênh lệch nhiệt độ theo công thức logarit là T = (150 – 50) / ln(150/50) = 91℃. Lưu ý rằng giá trị chênh lệch nhiệt độ rất quan trọng; chúng ta sẽ nói về điều này sau. F = Q/(TxK) = 101×1000/(91×100) = 11 m². Nói cách khác, bạn cần diện tích trao đổi nhiệt là 11 m² để đáp ứng yêu cầu trong giai đoạn trao đổi nhiệt thông thường. Do đó, để đáp ứng nhu cầu sử dụng hơi nước quá nhiệt, bạn cần diện tích trao đổi nhiệt là 11 + 36 = 47 m². Tuy nhiên, E101 chỉ có 40 m² diện tích trao đổi nhiệt, điều này gây ra nhiều khó khăn cho bộ phận chuyên trách cải tạo và các nhà lãnh đạo. E101 hiện tại có thể chịu được mức tải nhiệt bao nhiêu? 11 m² được dùng để làm mát hơi nước quá nhiệt; vậy 29 m² còn lại có thể xử lý được một lượng nhiệt Q2 = FxKxT = 29 × 500 × 50 = 725.000 W = 725 kW. Nói cách khác, sau khi sử dụng hơi nước quá nhiệt, thiết bị E101 chỉ có thể xử lý được một lượng nhiệt tối đa là Qmax = 101 + 725 = 826 kW (giá trị K = 100 được coi là giá trị tối đa). So với yêu cầu công nghệ là 1000 kW, tỷ lệ thiếu hụt là 1 – 826/1000 = 17,4%. Nói cách khác, lượng hơi nước có thể được tạo ra chỉ bằng 82% so với mức tối đa. Đây là kết quả khi giá trị K được lấy là 100; thông thường, giá trị K khó có thể vượt quá 100. 。 Người lãnh đạo vô thức hỏi bạn một câu: “Hãy tăng cường lượng hơi nước lên, được không?” Ai lại quy định rằng bạn chỉ được sử dụng lưu lượng 1567 kg/h chứ? Bạn dùng 2000 kg/h thì sao? Hai tấn hơi nước mỗi giờ, nhà máy phụ của chúng ta hoàn toàn có khả năng chi trả; tiền bạc không phải là vấn đề. 。 Người lãnh đạo đúng là kẻ hay can thiệp vào mọi chuyện. Dù có mắng người ta thế nào đi nữa, nhưng những gì cần phải tính toán thì vẫn phải tính toán. Trong trường hợp này, có thể đặt ra các giới hạn cho việc vận hành thiết bị; tức là xác định điều kiện vận hành tối đa của thiết bị. Đối với E101, việc chuyển từ hơi nước 262 sang hơi nước 162 rồi lại sang nước 162 là một điều kiện vận hành bình thường. Còn điều kiện vận hành bất thường (điều mà người lãnh đạo quan tâm) là khi hơi nước quá nóng đến mức không thể ngưng tụ được; lúc đó chỉ có thể sử dụng nhiệt lượng để làm nóng. Vậy cần bao nhiêu hơi nước để thực hiện việc này? W = Q / (Cp · t). Ở đây, giá trị của Q là 1000 kW. Giá trị nhiệt dung riêng được lấy là 2,3088 kJ/kg·℃. Vậy chênh lệch nhiệt độ là bao nhiêu? Không biết. Nếu không biết chắc, chúng ta có thể ước lượng được. Độ quá nhiệt của hơi nước có thể là 100℃; đó chính là giá trị chênh lệch nhiệt độ tối đa. Vì hơi nước không bị ngưng tụ, vậy cần bao nhiêu hơi nước quá nhiệt để đạt được mức này? W = 1000 × 3600 / (2,3088 × 100) = 15592 kg/giờ. Điều này có nghĩa là lượng hơi nước tiêu thụ là 15,6 tấn/giờ. 。 。 Giá trị này đúng chứ? ? Q = WCpt là công thức tính lượng nhiệt mà bạn cần xác định. Nhưng đồng thời, Q = FKT – đây chính là giới hạn mà bộ trao đổi nhiệt có thể xử lý được. Lượng nhiệt này có giá trị tối đa (giá trị chênh lệch nhiệt độ tối đa mà E101 có thể đạt được là 262 – 112 = 150°C). Vậy Qmax = 40 × 150 × 100 = 600kW. Con số này chỉ bằng 60% so với công suất 1000kW của E101. Điều này rõ ràng không ổn chút nào; lượng hơi nước 15,6 tấn/giờ kia sẽ không thể được sử dụng hết. Dù bạn cung cấp lượng hơi nước lớn đến đâu, bộ trao đổi nhiệt vẫn không thể xử lý hết được. Diện tích 40m2 đó giống như một con đường cao tốc: khả năng thông xe tối đa được tính dựa trên phần hẹp nhất của con đường. Phía sau là bốn làn đường (lượng hơi nước cung cấp khá lớn), nhưng phía trước chỉ có hai làn đường (diện tích 40m2). Tốc độ tối đa là 120km/h; khả năng thông xe cũng bị giới hạn ở mức đó thôi. Dù bạn có cung cấp lượng hơi nước lớn đến đâu, thì lượng hơi nước đi qua vẫn chỉ bằng 60% công suất tối đa mà thôi. 。 。 Thực ra, việc tính toán chính xác nên được thực hiện bằng phương pháp thử nghiệm sau khi đã xác định được giá trị WCpt = FKT. Bởi vì ở đây có hai biến cần xét, đó là lượng hơi nước tiêu thụ W và chênh lệch nhiệt độ t (trong đó t là mức giảm nhiệt độ của hơi nước quá nhiệt, còn T là chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của bộ trao đổi nhiệt; khi t được xác định thì T cũng sẽ được xác định). Do đó, cần phải sử dụng phương pháp thử nghiệm để tính toán (làm sao có thể giải một phương trình khi có hai ẩn số?) Trình độ toán học thế nào? Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp thử nghiệm phức tạp như vậy là không cần thiết nữa. Dù hơi nước hoạt động trong điều kiện nào, dù có bị ngưng tụ hay không, thì máy E101 của bạn vẫn không thể đáp ứng được yêu cầu công suất 1000 kW ban đầu. Khả năng xử lý nhiệt lượng tối đa của máy này khi hơi nước bị ngưng tụ là 82% so với mức ban đầu; còn khi hơi nước không bị ngưng tụ thì khả năng xử lý nhiệt lượng tối đa chỉ đạt 60%. Đó chính là giá trị giới hạn trong các tính toán kỹ thuật, và cũng chính là câu trả lời mà người quản lý mong muốn bạn đưa ra. Bạn cần nói với người quản lý của mình rằng việc sử dụng 100 tấn hơi nước mỗi giờ cũng chẳng có ích gì cả. Diện tích dành cho E101 thì vẫn như vậy; con đường cao tốc này chỉ được xây dựng với hai làn đường thôi, điều đó là chưa đủ! Dù sếp cho bạn lái chiếc BMW X5, thì trên những con đường nông thôn đầy camera giám sát và có giới hạn tốc độ 40 km/h cùng với việc kiểm soát tốc độ tại các điểm cố định, bạn cũng chỉ có thể chạy với tốc độ 40 km/h thôi phải không? (Lãnh đạo cảm thấy lo lắng: Mình vừa mua cho người tình sống ở biệt thự ngoại ô chiếc X5, chẳng lẽ thằng nhóc này đã nhìn thấy rồi sao?) Quay lại mà xử lý hắn! ! Cốt truyện ngày càng hấp dẫn! Bây giờ thì đã hiểu tại sao trong các điều kiện đã cho lại có giá trị tải nhiệt tối đa là Qmax=1000kW rồi chứ? ? Thường thì dữ liệu về hiệu suất trao đổi nhiệt trong quá trình vận hành thực tế rất khó có thể đạt được giá trị Qmax, bởi vì vẫn còn sự dư thừa trong thiết kế. Nói cách khác, nhiệm vụ của bạn bây giờ chính là tìm ra khoảng dư thừa đó, hiểu chưa? Ôi trời ơi, chúng ta đang sử dụng vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ mà; nó rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, nên không thể để chênh lệch nhiệt độ quá lớn được. 。 。 。 。 。 Cốt truyện có thể được bổ sung thêm. 。 。 。 。 。 3. An toàn của thiết bị: Vấn đề cuối cùng là nhiệt độ chênh lệch thực tế của E101 chỉ khoảng 50°C. Đối với các loại bộ trao đổi nhiệt kiểu ống-vỏ thông thường, khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu vượt quá 60°C thì cần phải sử dụng các bộ phận giãn nở để giải quyết vấn đề giãn nở của thiết bị. Tuy nhiên, E101 không có bộ phận giãn nở như vậy. Ngay cả khi sử dụng hơi nóng, và ngay cả khi vật liệu của E101 vẫn có khả năng chịu được nhiệt độ lên đến 262°C, thì việc thiếu bộ phận giãn nở khiến E101 không thể chịu đựng được chênh lệch nhiệt độ lên đến 100°C (đầu nóng 150°C, đầu lạnh 50°C). Áp lực do chênh lệch nhiệt độ gây ra thật kinh khủng! Thiết bị tồn tại rủi ro lớn! ! Nếu bạn chưa quen với hiện tượng ứng suất do chênh lệch nhiệt độ, bạn có thể hỏi những người chuyên về thiết bị. Nếu bạn đang ở trong nhà máy, hãy hỏi các kỹ thuật viên về thiết bị xem chênh lệch nhiệt độ 100℃ sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng gì cho E101. 。 Ồ, bộ trao đổi nhiệt của chúng ta là loại hiện đại, cao cấp; không cần các bộ phận như ống giãn nở hay ống đựng cũ nữa. 。 。 。 。 。 An toàn của thiết bị không vấn đề gì, không cần điều khoản thứ 3 nữa, cốt truyện cũng có thể giảm bớt được mà. 。 。 。 。 。 Tính rồi cũng được, viết rồi cũng xong, đã giải thích chi tiết quá trình rồi, vậy bạn cũng nên đưa ra kết luận và gợi ý chứ? ? Quá trình tính toán đã đủ để bạn rút ra kết luận: việc sử dụng hơi nước quá nóng sẽ không thể đáp ứng được yêu cầu về công suất hoạt động ban đầu. Nói cách khác, điều này sẽ khiến hiệu suất hoạt động của thiết bị giảm xuống, đồng thời gây ra những rủi ro lớn cho chính thiết bị đó. Sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn so với thiết kế ban đầu chắc chắn sẽ gây ra tổn hại cho E101. 。 。 Lãnh đạo cau mày? ? ? ? Đừng vội, vẫn nên đưa ra lời khuyên mà. 。 。 。 。 Nếu đã sử dụng hơi nước quá nóng, thì thiết bị E101 hiện tại sẽ phải được thay thế vì diện tích trao đổi nhiệt không đủ. Việc thiết kế và chế tạo lại thiết bị này đòi hỏi chi phí rất lớn. Chắc chắn người quản lý sẽ nói rằng đó là công việc tốn thời gian và công sức. Liệu có cách nào đơn giản hơn không? Có chứ. Trước khi vào E101, hãy lắp thêm một thiết bị làm giảm nhiệt độ và tăng độ ẩm vào; như vậy hơi nước quá nóng sẽ được làm cho đạt trạng thái bão hòa. Có rất nhiều đơn vị sản xuất thiết bị này, chỉ cần mua một chiếc là được. Còn về nước cần dùng để vận hành thiết bị làm giảm nhiệt độ, có thể lấy một phần nước ngưng tụ từ E101 để sử dụng. 。 。 。 。 Ánh mắt người lãnh đạo bắt đầu sáng lên; thằng nhóc này nói rất đúng. Hãy làm theo lời nó đi. Vào cuối năm, nhà máy sẽ được xếp vào nhóm các nhà máy tiên tiến, và mức thưởng cho họ cũng sẽ tăng gấp đôi. Hai năm nữa, hắn có thể được thăng chức thành trưởng phòng. Trình độ kỹ thuật của hắn khá tốt; lời nói của hắn có cơ sở và hợp lý. Không phải kiểu người chỉ biết nói suông, không có dữ liệu, không có ý kiến gì cả, cũng chẳng biết phải làm gì. Nếu sau này hắn giỏi xử lý công việc, thì có thể trở thành trợ lý của tôi. Đó chính là nội dung của tình huống mô phỏng này. 。 。 。 。 。 Điều quan trọng nhất trong kịch bản này là – với vai trò là nhân vật chính, bạn phải tự mình tính toán và đưa ra các con số cụ thể. Chỉ như vậy thì bạn mới có thể nắm được tổng quan về tất cả các khả năng có thể xảy ra. Nếu không tính toán, làm sao bạn biết được rằng diện tích trao đổi nhiệt chưa đủ, hay làm sao bạn biết được rằng chênh lệch nhiệt độ lên tới 91°C? Kinh nghiệm mà những người có kinh nghiệm có thể chia sẻ với bạn là: Hơi nước quá nóng sẽ tạo ra giai đoạn tỏa nhiệt trong E101; điều này sẽ làm giảm diện tích của giai đoạn hấp thụ nhiệt. Do đó, diện tích của E101 có thể sẽ không đủ. Ngoài ra, hơi nước quá nóng còn khiến sự chênh lệch nhiệt độ tăng lên, từ đó gây ra nhiều rủi ro cho thiết bị. Những từ “có thể”, “khả năng” ấy chính là cách mà những người có kinh nghiệm muốn nói với bạn rằng họ cũng không biết chắc được điều gì sẽ xảy ra nếu không tiến hành tính toán. Bạn phải tự mình thực hiện việc tính toán; họ sẽ không giúp bạn làm điều đó. 。 Diện tích tại sao không đủ? ? Rủi ro lớn ở đâu? ? Bạn thì không tính. Lời của những người kinh nghiệm thì sau ba ngày bạn sẽ quên mất thôi. Dù có nhớ trong ba ngày, thì sau ba trăm ngày chắc chắn bạn cũng sẽ quên mất thôi. Hơn nữa, khi các nhà lãnh đạo hoặc nhân viên phụ trách công tác cải tiến kỹ thuật hỏi bạn, bạn sẽ rối bời không biết phải trả lời thế nào. Đừng nghĩ rằng các nhà lãnh đạo và nhân viên đó là kẻ ngốc; nếu bạn không biết câu trả lời, chắc chắn bạn sẽ lộ ra sự bối rối của mình! Khi không thể đưa ra số liệu cần thiết, bạn chỉ có thể nói rằng: “Đó là lời của sư phụ tôi; các bạn hãy hỏi ông ấy đi.” ? Người quản lý chắc chắn sẽ bảo bạn rời khỏi đó trong vòng ba giây thôi… Còn việc tại sao người viết bài này lại là người thiếu kinh nghiệm thì cũng rất đơn giản thôi: ngoài việc ghi nhầm giữa áp suất biểu kiến và áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa ra, thì còn không biết độ nóng quá mức là bao nhiêu nữa Không nói, thông số của bộ trao đổi nhiệt là gì? Diện tích bao nhiêu? Mức tải nhiệt khi vận hành là bao nhiêu? Không viết, máy trao đổi nhiệt có dạng gì? Chỉ có trời mới biết, liệu vật liệu có chịu được chênh lệch nhiệt độ cao không? Không biết. 。 。 。 。 Vì đây là một câu hỏi, trước tiên bạn phải học cách diễn đạt vấn đề một cách rõ ràng. Hãy suy nghĩ kỹ hơn nữa: Người mới bắt đầu sẽ xem xét vấn đề này như thế nào? Trong quá trình suy nghĩ, bạn gặp phải những trở ngại gì? Là chưa học qua nguyên lý hóa học, hay là không biết cách tính, hoặc lười tính, nên chỉ biết nhờ giáo viên đưa ra lời khuyên thôi. 。 。 。 。 Vấn đề chưa rõ ràng, suy nghĩ cũng lộn xộn, làm sao công việc có thể được giải quyết ổn thỏa? Món ăn, tệ lắm. 。 。 。 Hay nói cách khác là lười, rất lười. 。 。 。 Đừng lười biếng, hãy tính toán xem. Khi làm được điều đó, bạn sẽ trở thành chuyên gia ngay thôi. Bạn sẽ không bao giờ quên được kết quả tính toán trong vòng 300 ngày. Quá trình tính toán rất khó khăn; việc nắm rõ các thông số của máy trao đổi nhiệt cũng có lẽ là một công việc gian nan không kém. 。 。 。 。 。 。 Tất nhiên, việc tính toán như vậy đòi hỏi kinh nghiệm. Quá trình tích lũy kinh nghiệm ấy chính là quá trình bạn từ một người mới bắt đầu chuyển thành một chuyên gia. Không ai có thể trở thành chuyên gia ngay từ khi mới sinh ra cả. 。 Tôi có một cuốn sổ ghi chú về việc đọc sách, do giáo viên ngữ văn đã soạn ra cách đây vài năm dành cho những học sinh lớp 7. Tôi xin tặng cuốn sổ này cho chủ bài: Đoạn văn cổ – “Kong Congzi • Ju Wei”: Có câu rằng: “Vua Yu, Vua Tang, Vua Wen, Vua Wu cùng công tử Chu đều là những người chăm chỉ suy nghĩ và lao động không ngừng; có kẻ phải gãy tay để tuân theo quy tắc, có kẻ phải chịu đựng cảnh đầu hói lưng còng, nhưng họ vẫn được coi là những bậc thánh nhân.” ” Ghi chú của thầy giáo: “Cần phải suy nghĩ chăm chỉ”, đồng thời cũng cần phải lao động vất vả. Nếu không, làm sao có thể trở thành “bậc thánh” được chứ?