Lựa chọn dầu truyền nhiệt thích hợp cho hệ thống truyền nhiệt

Dầu truyền nhiệt là gì?

Dầu truyền nhiệt (Heat Transfer Oil) hay còn có tên gọi khác là Dầu gia nhiệt, Dầu tải nhiệt, Dầu dẫn nhiệt, Dầu bảo ôn,… Là một loại hợp chất được pha chế từ 85% dầu gốc cao cấp và 15% từ hệ thống phụ gia chuyên dụng cho hệ thống truyền tải nhiệt.

Dầu có khả năng truyền nhiệt, bền nhiệt cao, chỉ số độ nhớt cao, điểm chớp cháy cao giúp cho hệ thống truyền nhiệt hoặc thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động đúng yêu cầu về nhiệt độ cũng như đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống.

Đặc điểm của dầu truyền nhiệt

Như tên gọi của nó, thì điều cốt lõi là có tính truyền nhiệt – dịch chuyển năng lượng, nhưng phải đảm bảo được các tiêu chuẩn kỹ thuật và với giá cả vừa phải.

Sau đây là các đặc điểm cần có:

• Có đặc tính truyền nhiệt tốt
• Có độ ổn định nhiệt tốt cho phép vận hành trong khoảng thời gian dài song song với việc kiểm tra thường xuyên
• Độ nhớt thấp trên toàn bộ phạm vi hoạt động, đặc biệt là lúc khởi động, tránh tiêu thụ điện năng cao
• Nhiệt độ hóa đặc thấp cho phép điểm dừng kéo dài một cách an toàn
• Khả năng chống mài mòn đến các thành phần trong hệ thống
• Có độc tính thấp và thân thiện với môi trường, giúp xử lý dễ dàng sau khi kết thúc chu trình
• Chi phí mua và bảo trì vừa phải, không quá đắt
• Rủi ro thấp cho nhân viên và máy móc, tránh tổn thất chi phí nặng nề khi rò rỉ xảy ra

Chọn dầu truyền nhiệt thích hợp

Phân loại dầu truyền nhiệt theo cấu trúc hóa học, nó sẽ gồm 3 loại chính:

• Dầu gốc tổng hợp
• Dầu gốc khoáng
• Các loại dầu khác, bao gồm cả silicon

Thuật ngữ tổng hợp và gốc khoáng dùng để chỉ phương pháp thu được thành phần dầu gốc của dầu truyền nhiệt. Khi dầu này thu được thông qua quá trình tổng hợp hóa học hoặc các quá trình khác ngoài tinh chế thông thường thì dầu truyền nhiệt có thể được biết như là tổng hợp hoặc có công nghệ tổng hợp. (Giá thành của dầu tổng hợp khá cao)

Dầu truyền nhiệt tổng hợp

Dầu truyền nhiệt tổng hợp còn được gọi là dầu thơm, bao gồm cấu trúc dựa trên benzen, và các oxit diphenyl, biphenyl, diphenylethanes, dibenzyntoluenes và terphenyl. Tùy thuộc vào công nghệ pha chế mỗi hãng, phạm vi nhiệt độ hoạt động của các loại chất lỏng này là khoảng -20ºC đến 400ºC

Dầu truyền nhiệt gốc khoáng

Khi dầu gốc thu được thông qua quá trình tinh lọc dầu thông thường, nó được gọi là dầu khoáng. Điều này được hình thành trực tiếp từ quá trình chưng cất dầu mỏ và phần lớn trong số này bao gồm các hydrocacbon paraffin hoặc naphthenic. Trong đó một số phụ gia được thêm vào để tăng hiệu năng cho chúng, về cơ bản là giúp cho độ nhớt thấp và tăng khả năng chống oxy hóa. Phạm vi hoạt động chung là từ -10ºC đến 315ºC.

Các chất lỏng dựa trên silicone, ở một mức độ lớn hơn thì dầu sẽ lai glycol, chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chuyên dụng đòi hỏi khả năng tương thích với quá trình hoặc sản phẩm trong trường hợp trao đổi nhiệt dễ rò rỉ.

Với những nhược điểm của nhóm này (silicon) về hiệu suất và giá thành trong phạm vi nhiệt độ không được so sánh cao so với dầu tổng hợp và dầu khoáng. Bởi các loại chất lỏng này là lựa chọn dành riêng cho loại ứng dụng trên và do đó không thể được chọn cho phần lớn các quy trình truyền nhiệt.

Các loại hệ thống truyền nhiệt

Chúng ta có thể phân loại dầu truyền nhiệt theo hệ thống sử dụng, chủ yếu có 3 loại:

Hệ thống pha lỏng không áp suất

Các hệ thống pha lỏng không áp suất là phù hợp nhất cho quá trình có nhiệt độ từ 300ºC trở xuống (nhiệt độ làm việc của dầu phải nằm dưới nhiệt độ sôi của nó) vì chúng đơn giản, dễ thiết kế và vận hành. Cả dầu gốc khoáng và dầu gốc tổng hợp đều có thể sử dụng với loại hệ thống này.

Trong loại hệ thống này, bể giãn nở không cần phải sử dụng khí trơ để duy trì áp suất lên bơm tuần hoàn.

Để giảm tình trạng oxy hóa dầu, một bể giãn nở cụ thể được thiết kế để đảm bảo chất lỏng ở dưới nhiệt độ 150ºC cho bất kỳ tiếp xúc nào với không khí bên ngoài, nhằm tráng việc dầu bị oxy hóa sớm sẽ bị rút ngắn tuổi thọ.

Hệ thống pha lỏng có áp suất

Chúng sử dụng cả dầu truyền nhiệt gốc khoáng và tổng hợp, đồng thời có thiết kế tương tự như các hệ thống không áp suất ngoại trừ việc khí trơ được đưa vào bể giãn nở khi nhiệt độ hoạt động cần thiết của dầu gia nhiệt vượt quá nhiệt độ sôi.

Khí trơ, ni-tơ được điều áp, cho phép dầu truyền nhiệt luôn được giữ trong pha lỏng. Khí trơ cũng hoạt động như một chất đệm trong bể giãn nở giữa bề mặt của dòng chảy nóng và không khí giúp loại bỏ mọi khả năng oxy hóa chất lỏng.

Hầu hết các loại dầu truyền nhiệt gốc khoáng và tổng hợp pha lỏng đều không có yêu cầu đối với khí trơ có áp suất để duy trì pha lỏng ở đầu trên của nhiệt độ vận hành; chỉ có chất lỏng đa pha như biphenyl/ diphenyl oxit có yêu cầu bắt buộc với hệ thống này, đây là một sự lựa chọn khác.

Ưu điểm chính của nó so với hệ thống pha lỏng không áp suất là bảo đảm oxy hóa toàn phần, cho phép kéo dài tuổi thọ của dầu truyền nhiệt.

Sự gia tăng độ phức tạp và chi phí khiến nó cần thiết phải đánh giá cẩn thận các đặc tính của dầu truyền nhiệt và của cả quá trình để xác định sự phù hợp của cả hai.

Hệ thống pha hơi

Hệ thống pha hơi áp suất được sử dụng do một nhóm các chất lỏng truyền nhiệt tổng hợp rất chuyên dụng, đặc biệt là biphenyl/ diphenyl oxit.

Một hệ thống pha hơi đơn giản có thể được thiết kế bằng cách sử dụng áp suất thủy tĩnh của trọng lực để đưa nước sử dụng trở lại máy hóa hơi, loại bỏ sự cần thiết cho máy bơm ngưng tụ. Các hệ thống phức tạp hơn đòi hỏi một bể bay hơi, một bể hồi lưu ngưng tụ và một máy bơm hồi lưu ngưng tụ.

Những nhược điểm về chi phí và độ phức tạp của hệ thống pha hơi được bù đắp bởi khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao và tăng kiểm soát nhiệt độ sử dụng, điều này rất quan trọng với những quá trình nhạy cảm về độ lệch ở điểm đặt

Những tiêu chí chính khi chọn dầu truyền nhiệt

Ổn định nhiệt – Tối đa hóa nhiệt độ hoạt động

Tính bền nhiệt của dầu là yếu tố quyết định nhiệt độ hoạt động tối đa của nó.

Độ ổn định nhiệt được định nghĩa là khả năng chịu được phản ứng cracking phân tử của sức ép nhiệt. Để thử nghiệm tính bền nhiệt của dầu thì có thể đo cường độ liên kết phân tử của dầu ở nhiệt độ cụ thể so với chất lỏng khác ở cùng nhiệt độ và dưới điều kiện thử nghiệm giống hệt nhau.

Các thử nghiệm được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng và không tính đến các trường hợp vận hành như hỏng hóc cơ học, lỗi thiết kế, oxy hóa, v.v., do đó, dữ liệu được tạo ra chỉ hữu ích cho mục đích so sánh. Các dự đoán chính xác cho tuổi thọ của chất lỏng trong quy trình thực tế không nên lấy từ dữ liệu test ổn định nhiệt.

Tối đa hóa nhiệt độ vận hành là nhiệt độ tối đa mà nhà sản xuất dầu truyền nhiệt khuyến nghị, tại đó nó được vận hành liên tục trong khi vẫn duy trì độ ổn định nhiệt chấp nhận được. Bởi vì tốc độ phân hủy của phần tử dầu được liên kết rất chặt chẽ với nhiệt độ, nên thường xuyên làm việc trên nhiệt độ tới hạn của chất lỏng sẽ làm đẩy nhanh quá trình xuống cấp của dầu.

Các vấn đề tiềm ẩn gây ra bởi sự xuống cấp quá mức sẽ hình thành nhanh chóng cặn và bụi bẩn, gây khó khăn cơ học và giảm hiệu quả truyền nhiệt.

Do đó, như bạn có thể tưởng tượng, bước đầu tiên trong quá trình chọn một loại dầu nhiệt cụ thể là thiết lập nhiệt độ vận hành tối đa. Như đã đề cập ở trên, hầu hết các loại dầu gốc khoáng đều có nhiệt độ khuyến nghị tối đa trong khoảng từ 270 ° C đến 315 ° C, trong khi đó chất lỏng nhiệt tổng hợp hoặc thơm đặc biệt được khuyến nghị cho nhiệt độ chất lỏng tối đa trong khoảng từ 315°C đến 400°C.

Hiệu quả truyền nhiệt

Khi đánh giá tính chất này, cần lưu ý rằng hiệu quả cao hơn trong truyền nhiệt, trong hầu hết các trường hợp, không thể hiện sự tiết kiệm nhiên liệu (mà về cơ bản phụ thuộc vào thiết kế của lò hơi). Do đó, với các bề mặt trao đổi bằng nhau trong thiết bị tiêu thụ của bạn, bạn sẽ đạt được nhiệt độ vận hành cần thiết nhanh hơn nếu dầu truyền nhiệt có hiệu suất truyền nhiệt cao.

So sánh hiệu suất truyền nhiệt giữa các chất lỏng truyền nhiệt khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng các hệ số truyền nhiệt. Ở nhiệt độ cụ thể, hệ số truyền nhiệt tổng thể của dầu có thể được tính bằng mật độ, độ nhớt, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng (xem ở thông số kỹ thuật của dầu gia nhiệt) ở tốc độ dòng chảy và đường kính ống nhất định.

Hầu hết các dầu truyền nhiệt tổng hợp có một lợi thế đáng kể so với dầu khoáng về hiệu suất truyền nhiệt ở nhiệt độ từ 150°C đến 260°C. Trên phạm vi nhiệt độ này (lên đến 300°C), một số dầu truyền nhiệt gốc khoáng thu hẹp khoảng cách với các loại dầu trắng parafin / naphthenic tinh chế cao.

Dầu đã được sử dụng trong một thời gian dài và đã trải qua quá trình suy thoái nhiệt có hệ số thấp hơn do sự thay đổi độ nhớt và sự hiện diện của các sản phẩm phụ xuống cấp kém hiệu quả hơn. Do đó, tính ổn định nhiệt của dầu đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất nhiệt theo thời gian.

Nhiệt độ bơm tối thiểu

Nhiệt độ này không phải là điểm cố định, là nhiệt độ mà dầu truyền nhiệt có thể hoạt động. Nó được định nghĩa là nhiệt độ mà độ nhớt của chất lỏng đạt đến một giá trị, thường là 2000 cps, tại đó bơm ly tâm không thể lưu thông chất lỏng.

Mặc dù hầu hết các ứng dụng xử lý được chạy ở nhiệt độ cao hơn điểm này, thiết kế hệ thống có thể gặp sự cố trong khi tắt khẩn cấp hoặc tắt bảo trì nếu bạn không tính đến việc đếm lại lượng dầu truyền nhiệt trong hệ thống.

Nói chung, hầu hết các loại dầu truyền nhiệt gốc khoáng và tổng hợp tầm trung đều có giá trị khởi động trong khoảng từ -20ºC đến -5ºC. Dầu tổng hợp cao cấp – dầu tổng hợp thơm với oxit biphenyl / diphenyl có nhiệt độ hoạt động tối đa là 370°C – 400°C, có giá trị 5°C -15° C là nhiệt độ bơm tối thiểu của chúng.

Các quy trình sử dụng chất lỏng truyền nhiệt có khả năng gặp sự cố khởi động lạnh sẽ cần nguồn nhiệt trong hệ thống đường ống của chúng, sử dụng hơi nước hoặc điện trở.

Môi trường

So sánh các hướng dẫn an toàn về môi trường và cá nhân là rất quan trọng khi lựa chọn một chất lỏng hóa học cụ thể. Không có chất lỏng truyền nhiệt gây nguy hiểm đáng kể cho sức khỏe khi được sử dụng với các bài tập xử lý tiếng ồn.

Hầu hết các chất lỏng nhiệt là không độc hại về cả tiếp xúc với da và ăn. Chỉ có một vài chất lỏng tổng hợp thơm với các oxit biphenyl / diphenyl có một số đặc điểm cần lưu ý trong khía cạnh này.

Đầu tư chi phí kinh tế

Theo nguyên tắc chung, nhiệt độ sử dụng của dầu càng cao, chi phí kinh tế càng lớn.

Dầu truyền nhiệt tổng hợp tầm trung có nhiệt độ hoạt động lên tới 340°C đắt hơn từ một đến rưỡi đến hai lần so với dầu gốc khoáng, trong khi dầu truyền nhiệt tổng hợp thơm cao cấp cho nhiệt độ làm việc lên tới 400°C đắt hơn gấp năm hoặc sáu lần.

Trong tiêu chí chi phí kinh tế này, điều quan trọng là bao gồm các chi phí vận hành như bảo trì, thay thế, v.v. Để giảm thiểu những điều này, những người có kinh nghiệm khuyên bạn nên tuân theo chương trình phân tích mẫu dầu truyền nhiệt được đề nghị, cả về mặt tần suất các thông số được đánh giá.

Điều này cho phép người sử dụng được thông báo về tình trạng của dầu truyền nhiệt hiện tại để giảm thiểu các điểm dừng bảo trì và chi phí vượt mức do không hiệu quả về năng lượng vì suy thoái.

Kết luận

Loại dầu truyền nhiệt nào là thích hợp nhất? Hóa chất nào là tốt nhất?

Ví dụ: Nhiệt độ hoạt động hơn 315°C hoặc tương thích với sản phẩm trong trường hợp rò rỉ, cả hai loại đều có ưu điểm: dầu truyền nhiệt tổng hợp mang lại hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn và ổn định ở nhiệt độ cao, trong khi dầu khoáng có chi phí thấp hơn và lợi thế môi trường .

Xác định các tiêu chí chính theo yêu cầu của một quy trình sẽ giúp ưu tiên các tiêu chí theo mức độ quan trọng.

Bảng tổng hợp được đính kèm dưới đây cung cấp tóm tắt ngắn về các lý do trên, với ước tính tỷ lệ cho từng thuộc tính được đánh giá

Sử dụng cách giải thích biểu đồ, chúng ta có thể nhanh chóng xác định rằng các loại dầu truyền nhiệt tổng hợp hiệu suất cao là hiệu quả nhất, ít thân thiện với môi trường nhất, yêu cầu nhiệt độ bơm cao hơn, hiệu suất truyền nhiệt cao hơn và độ ổn định nhiệt cao hơn, trong khi dầu khoáng là rẻ nhất và thân thiện với môi trường nhất nhưng có độ ổn định nhiệt thấp hơn và hiệu quả truyền nhiệt thấp hơn.