Báo cáo thực tập thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh. Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công. Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng. Các chất này có nhiệt độ khác nhau.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG

BÁO CÁO THỰC TẬP ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫnSinh viên thực hiện

Mục lục

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 3

1 Các nguồn năng lượng có thể sản xuất điện năng 3

1.2 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3

1.2.1 Nhà máy điện áp dụng chu trình tuarbin hơi nước 3

1.2.2 Chu trình Carno hơi nước 3

1.3 Sơ đồ bố trí buồng đốt 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 7

2.1 Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 7

2.1.1 Khái niệm 7

2.1.2 Phân loại các thiết bị trao đổi nhiệt 7

2.2 Yêu cầu đối với TBTDN 9

2.3 Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt 10

2.4 Môi chất sử dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt 10

2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo chu kỳ 11

2.7 Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp giữa chất lỏng và chất khí 12

CHƯƠNG 3: BỘ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG 15

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 15

3.1 Bộ hâm nước 15

3.1.1 Công dụng và phân loại của bộ hâm nước 16

3.1.2 Bộ hâm nước ống thép trơn 16

3.1.3 Bộ hâm nước ống thép có cánh 16

3.1.4 Bộ hâm nước bằng gang 17

3.1.5 Cách nối bộ hâm nước 17

3.2 Bộ sấy không khí 19

3.3 Cách bố trí bộ hâm nước và bộ sấy không khí 20

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 21

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU1 Các nguồn năng lượng có thể sản xuất điện năng

Sự phát triển năng lượng ở mỗi quốc gia phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, vào tiềm lực khoa học kỹ thuật, tiềm năng kinh tế và mức độ phát triển các ngành của nền kinh tế.

Các nhà máy có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thiên nhiên thành điện năng được gọi là nhà máy điện Năng lượng thiên nhiên dự trữ dưới nhiều dạng khác nhau và có thể biến đổi thành điện năng Từ các dạng năng lượng dự trữ này có thể cho phép ta xây dựng các loại nhà máy điện khác nhau:

Từ năng lượng của nhiên liệu hữu cơ có thể xây dựng nhà máy nhiệt điện; Từ năng lượng của dòng nước có thể xây dựng nhà máy thủy điện;

Từ năng lượng gió có thể xây dựng nhà máy điện sức gió: Từ năng lượng sóng biển có thể xây dựng nhà máy điện thủy triều; Từ năng lượng mặt trời có thể xây dựng nhà máy điện mặt trời Từ nguồn nóng trong lòng đất có thể xây dựng nhà máy điện địa nhiệt:

Từ năng lượng hạt nhân có thể xây dựng nhà máy điện hạt nhân Trong giáo trình này, chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu nhà máy nhiệt điện.

Nhà máy nhiệt điện thực hiện việc biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng rồi điện năng, quá trình biến đổi đó được thực hiện nhờ tiến hành một số quá trình liên tục (một chu trình) trong một số thiết bị của nhà máy Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên hai nguyên tắc: có thể theo chu trình thiết bị động lực hơi nước hoặc có thể là chu trình hỗn hợp tuốc bin khí-hơi.

1.2 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Nhà máy điện áp dụng chu trình tuarbin hơi nước

Hiện nay, trên thế giới người ta đã xây dựng được tất cả các loại nhà máy điện biến đổi các dạng năng lượng thiên nhiên thành điện năng Tuy nhiên sự hoàn thiện, mức độ hiện đại và giá thành điện năng của các loại nhà máy điện đó rất khác nhau, tùy thuộc vào thời gian được nghiên cứu phát triển loại hình nhà máy điện đó Đối với những nước đang phát triển như Việt Nam, do nền công nghiệp còn chậm phát triển, tiềm năng về kinh tế còn yếu do đó xây dựng chủ yếu nhà máy nhiệt điện dùng Tuốc bin hơi hoặc dùng chu trình hỗn hợp, trong đó biến đổi năng lượng của nhiên liệu thành điện năng.

1.2.2 Chu trình Carno hơi nước

Ở phần nhiệt động ta đã biết chu trình Carno thuận chiều là chu trình có hiệu suất nhiệt cao nhất khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh Chu trình Carno lý

tưởng gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt Về mặt kĩ thuật, dùng khí thực trong phạm vi bão hòa có thể thực hiện được chu trình Carno và vẫn đạt được hiệu suất nhiệt lớn nhất khi ở cùng phạm vi nhiệt độ.

Chu trình Carno áp dụng cho khí thực trong vùng hơi bão hòa được biểu diễn trên hình 1.1 Tuy nhiên, đối với khí thực và hơi nước thì việc thực hiện chu trình Carno rất khó khăn, vì những lý do sau đây:

- Quá trình hơi nhỏ nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-3) là quá trình ngưng tụ thực hiện không hoàn toàn, hơi ở trạng thái 3 vẫn là hơi bão hòa, có thể tích riêng rất lớn, do đó để thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo qua trình 3-4, cần phải có máy nền kích thước rất lớn và tiêu hao công rất lớn.

- Nhiệt độ tới hạn của nước thấp (374,15 °C) nên độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh của chu trình không lớn lắm, do đó công của chu trình nhỏ.

- Độ ẩm của hơi trong tuốc bin cao, các giọt ẩm có kích thước lớn sẽ va đập vào cảnh tuốc bin gây tổn thất năng lượng và ăn mòn nhanh cánh Tuốc bin.

Hình 1.1 Chu trinh Carno hơi nước

Hình 1.2 Nhà máy nhiệt điện chạy tuarbin hơi nước

1.3 Sơ đồ bố trí buồng đốt

Để thực hiện việc sản xuất điện năng, chúng ta cần chuyển hóa nhiệt năng thành năng lượng làm quay cánh quạt tuabin Dòng hơi đi trong ống càng nhanh, càng mạnh thì năng lượng càng lớn Chính vì thế chúng ta cần tạo ra một buồng đốt nhiên liệu phù hợp để chu trình đạt được hiệu suất cao nhất.

Hình 1.3 Sơ đồ bố trí thiết bị trong lò hơi

1.Vòi phun nhiên liệu + không khí; 2 Buồng đốt; 3 phễu tro lạnh; 4 Đây thảixỉ; 5 Dàn ống sinh hơi; 6 Bộ quá nhiệt bức xạ; 7 Bộ quá nhiệt nửa bức xạ; 8.ống hơi lên 9 Bộ quá nhiệt đối lưu; 10 Bộ hãm nước; 11.Bộ sấy không khí;12 Bộ khử bụi; 13 Quạt khói; 14 Quạt gió; 15 Bao hơi; 16 ống nước xuống;

17 ống góp nước;

Buồng lửa trình bày trên hình 1.3 là buồng lửa phun, nhiên liệu được phun vào và cháy lơ lửng trong buồng lửa Quá trình cháy nhiên liệu xẩy ra trong buồng lứa và đạt đến nhiệt độ rất cao, từ 1300 °C đến 1900 °C, chính vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa và dàn ống sinh hơi rất cao và lượng nhiệt dàn ống sinh hơi thu được từ ngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ Để hấp thu có hiệu quả nhiệt lượng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tường lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và những ảnh hưởng xấu của tro nóng chảy, người ta bố trí các dàn ống sinh hơi 3 xung quanh tường buồng lửa.

Khói ra khỏi buồng lửa, trước khi vào bộ quá nhiệt đã được làm nguội một phần ở cụm phecston, ở đây khói chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi nước chuyển động trong ống Khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao, để tận dụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phần đuôi lò người ta đặt thêm bộ hâm nước và bộ sấy không khí.

Bộ hâm nước có nhiệm vụ gia nhiệt cho nước để nâng nhiệt độ của nước từ nhiệt độ ra khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi và cấp vào bao hơi 5 Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình cấp nhiệt cho nước để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp nước trong lò Sự có mặt của bộ hâm nước sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi và sử dụng triệt để hơn nhiệt lượng tỏa ra khi cháy nhiên liệu, làm cho nhiệt độ khói thoát khỏi lò giảm xuống, làm tăng hiệu suất của lò.

Không khí lạnh từ ngoài trời được quạt gió 14 hút vào và thổi qua bộ sấy không khí 11 Ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ yêu cầu và được đưa vào vòi phun số 1 để cung cấp cho quá trình đốt cháy nhiên liệu.

Như vậy bộ hâm nước và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một phần nhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài Chính vì vậy người ta còn gọi bộ hâm nước và bộ sấy không khí là bộ tiết kiệm nhiệt.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT2.1 Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

2.1.1 Khái niệm

Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị trong đó thực hiện sự trao đổi nhiệt giữa chất cần gia công với chất mang nhiệt hoặc lạnh Chất mang nhiệt hoặc lạnh được gọi chung là môi chất có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn chất gia công, dùng để nung nóng hoặc làm nguội chất gia công

Chất gia công và môi chất thường ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chất lỏng Các chất này có nhiệt độ khác nhau.

Để phân biệt mỗi thông số ϕ là của chất lỏng nóng hay chất lỏng lạnh, đi vào hay ra khỏi thiết bị, người ta quy ước: - Dùng chỉ số 1 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ1 - Dùng chỉ số 2 để chỉ chất lỏng nóng: ϕ2 - Dùng dấu “ ′ ” để chỉ thông số vào thiết bị: ϕ1′; ϕ2′ - Dùng dấu “ ″ ” để chỉ thông số ra thiết bị: ϕ1″; ϕ2″.

Ví dụ:

Hình 2.1 Sơ đồ khối của TBTDN

2.1.2 Phân loại các thiết bị trao đổi nhiệt

a) Phân loại theo nguyên lý làm việc của TBTDN

1- TBTĐN tiếp xúc (hay hỗn hợp), là loại TBTĐN trong đó chất gia công và môi chất tiếp xúc nhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp Ví dụ bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi

2- TBTĐN hồi nhiệt, là loại thiết bị TĐN có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt Quá trình TĐN là không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt Ví dụ: bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.

3- TBTĐN vách ngăn, là loại TBTĐN có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh và 2 chất lỏng TĐN theo kiểu truyền nhiệt.

Loại TBTĐN vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công được tinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ

4- TBTĐN kiểu ống nhiệt, là loại TBTĐN dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh Môi chất trong các ống nhiệt nhân nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưng thành lỏng rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu trình Trong ống nhiệt, môi chất sôi, ngưng và chuyển động tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2.

Sơ đồ TBTDN hỗn hợp đơn giản

Thiết bị trao đổi nhiệt

b) Phân loại theo chiều chuyển động của môi chất

Tùy theo chiều chuyển động của môi chất trong thiết bị, ta chia thiết bị trao đổi nhiệt ra làm: loại cùng chiều (môi chất cùng vào và cùng ra khỏi thiết bị ở cùng một phía); loại ngược chiều (mỗi chất vào và ra khỏi thiết bị khác phía, bên trong thiết bị môi chất chuyển động ngược chiều); loại cắt nhau (mỗi chất này chuyển động cắt ngang môi chất kia gián tiếp qua vách rắn ngăn cách); loại hỗn hợp (có phần thiết bị các môi chất chuyển động cùng chiều, có phần thiết bị các môi chất chuyển động ngược chiều ).

c) Phân loại theo công dụng

Tùy theo mục đích sử dụng thiết bị, ta có các thiết bị trao đổi nhiệt khác nhau sau: bình ngưng (dàn ngưng), bình bốc hơi (dàn bốc hơi), thiết bị cô đặc, thiết bị tinh cất,

d) Phân loại theo sự hoạt động của môi chất

Các môi chất trong thiết bị hoạt động (trao đổi nhiệt) có thể là liên tục hoặc theo chu kỳ, cho nên ta có thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động liên tục, ví dụ bình ngưng, thiết bị đốt nóng không khí bằng khói, bình bốc hơi hoặc thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo chu kỳ, ví dụ tháp sấy không khí lò cao, thiết bị đun nóng nước - tích nhiệt chu kỳ, bộ sấy không khí hồi nhiệt của nhà máy nhiệt điện

2.2 Yêu cầu đối với TBTDNa) Yêu cầu chính

Một thiết bị trao đổi nhiệt tốt về mặt thiết kế cũng như vận hành cần đáp ứng được những yêu cầu sau đây:

Hệ số truyền nhiệt có giá trị càng lớn càng tốt Bởi vì với cùng một lượng nhiệt cần trao đổi, nếu hệ số truyền nhiệt lớn, thiết bị sẽ có diện tích nhỏ.

Trở kháng thủy lực đối với dòng môi chất nóng và lạnh càng nhỏ càng tốt Bởi vì với trở kháng thủy lực nhỏ, công suất của bơm hoặc quạt cần cho sự chuyển động của môi chất sẽ nhỏ (ít tiêu tốn điện năng).

Yêu cầu hệ số truyền nhiệt lớn và trở kháng thủy lực nhỏ của thiết bị trao đổi nhiệt đối với một đại lượng vật lý nào đó của hai dòng môi chất (ví dụ tốc độ) thường dẫn tới mâu thuẫn Ví dụ, khi tăng tốc độ dẫn tới hệ số truyền nhiệt tăng nhưng ngược lại cũng dẫn tới trở kháng thủy lực tăng, do đó việc chọn tốc độ phải dựa vào điều kiện tối ưu, nghĩa là bảo đảm hệ số truyền nhiệt lớn nhưng trở kháng thủy lực không lớn - Bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị phải làm sao để ít bị bám bẩn, dễ dàng làm sạch và dễ dàng sửa chữa Khi vận hành thiết bị, dòng môi chất có thể gây bám bẩn bề mặt (do bụi hoặc do sự lắng đọng các chất cặn) làm chiều dày bề mặt tăng, hơn nữa hệ số dẫn nhiệt của lớp bám bẩn thường có giá trị rất nhỏ so với hệ số dẫn nhiệt của bề mặt nên nhiệt trở của bề mặt tăng, dẫn đến lượng nhiệt truyền qua sẽ giảm đi đáng kể Bởi vậy sau một thời gian vận hành, bề mặt thiết bị phải được làm sạch.

- Bảo đảm ngăn cách các dòng môi chất nóng và lạnh tốt để tránh hiện tượng hai dòng môi chất bị hòa trộn vào nhau Đây là yêu cầu của tất cả thiết bị trao đổi nhiệt trừ thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp Ví dụ trong quá trình sấy, nếu trong thiết bị trao đổi nhiệt dòng không khí bị hòa lẫn dòng khói sẽ làm ảnh hưởng không tốt tới chất lượng sản phẩm sấy Về mặt này, thiết bị kiểu ống bảo đảm tốt nhất cho việc ngăn cách các

Hiệu suất tổn thất nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt là đại lượng tính đến hiệu quả sử dụng nhiệt về mặt tổn thất nhiệt từ thiết bị ra môi trường xung quanh Để nâng cao hiệu suất tổn thất nhiệt,nghĩa là giảm tổn thất nhiệt, trong những trường hợp cần thiết ta phải bọc cách nhiệt thiết bị, ví dụ bọc cách nhiệt các bình bốc hơi làm lạnh nước hoặc dung dịch muối, bình trung gian

Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt ký hiệu η được xác định bằng biểu thức: η = QQ

max (1-14) ở đây:

Q - lượng nhiệt mà môi chất nóng (nguồn nóng) truyền cho môi chất lạnh (nguồn

Qmax - lượng nhiệt lớn nhất mà môi chất nóng (nguồn nóng) truyền cho môi chất lạnh (nguồn lạnh) ở điều kiện lý tưởng.

Điều kiện lý tưởng ở đây là điều kiện thiết bị trao đổi nhiệt có các môi chất chuyển động ngược chiều và có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt vô cùng lớn, F = ∞.

2.4 Môi chất sử dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt

Môi chất sử dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt được phân loại theo mục đích sử

dụng, nhiệt độ sử dụng và trạng thái của mối chất.

Theo mục đích sử dụng ta có: môi chất đốt nóng, môi chất làm mát, môi chất lạnh (sử dụng trong máy lạnh ), mỗi chất tải lạnh (nước, dung dịch muối ), môi chất để sấy (không khí ), môi chất trung gian (hạt chất rắn trong thiết bị tiếp xúc ).

Theo trạng thái mỗi chất ta có: môi chất dạng một pha (lỏng hoặc khí), môi chất dạng hai pha (lỏng và hơi ) Môi chất dạng một pha có thể là các khí, hơi không ngưng, hỗn hợp khí và hơi không ngưng, chất lỏng hoặc hỗn hợp chất lỏng không bốc hơi hoặc bay hơi ở áp suất làm việc, chất rắn (các hạt) Môi chất dạng hai pha gồm chất lỏng bốc hơi hoặc bay hơi (quá trình hóa hơi), hơi ngưng tụ (quá trình ngưng), chất lỏng đồng đặc (quá trình đông đạc), chất rắn nóng chảy (quá trình nóng chảy),

chất rắn thăng hoa (quá trình thăng hoa) nghĩa là khi mỏi chất thực hiện sự chuyển pha.

Theo nhiệt độ sử dụng ta có: mỏi chất nhiệt độ cao, môi chất nhiệt độ trung bình, môi chất nhiệt độ thấp, môi chất nhiệt độ rất thấp Một trong những môi chất nhiệt độ cao hay sử dụng là khỏi hoặc khí lò, nhiệt độ sử dụng của chúng tới 1500C Các chất lỏng có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển tạ > 200C cũng là môi chất nhiệt độ cao như dầu máy biến áp Môi chất nhiệt độ trung bình thường sử dụng gồm: hơi nước, nước, không khí Hơi nước được sử dụng đến 650"C, nước đến 375C, không khí đến 100°C Môi chất nhiệt độ thấp là chất lỏng có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển tạ = 0°C, ví dụ môi chất lạnh Môi chất nhiệt độ rất thấp được sử dụng trong kỹ thuật lạnh sâu là các khí chịu nén như ôxy, hyđrô, nitơ, không khí, nhiệt độ sử dụng của chúng nhỏ hơn -150"C.

Một môi chất sử dụng trong thiết bị trao đổi nhiệt đòi hỏi có: - Nhiệt độ sôi cao ở áp suất khí quyển.

- Nhiệt độ đông đặc thấp ở áp suất khí quyển

- Độ nhớt nhỏ, nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi lớn.

- Ít độc, ít ăn mòn kim loại, không bốc cháy và phát nổ, giá thành không cao Chất khí so với chất lỏng thường có khối lượng riêng nhỏ, hệ số tỏa nhiệt nhỏ, lưu lượng thể tích đòi hỏi lớn nên tiêu tốn năng lượng để chuyển động lớn hơn so với chất lỏng Vì vậy khói chỉ dùng cho khoảng cách không quá vài trăm mét, hơi không quá vài kilômét còn nước có thể từ vài chục đến hàng trăm kilômét.

Môi chấtNhiệt độ ( độ C)Áp suất tuyệt đối (bar)

Bảng 1.1 Điều kiện sử dụng môi chất

2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo chu kỳ

Thiết bị đốt nóng theo chu kỳ được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, ví dụ thiết bị đun nóng nước tích nhiệt, lò nấu

Thiết bị đun nóng nước tích nhiệt (hình 2.2a, b) là một bình có thể tích lớn đạt đứng hoặc nằm ngang, chứa đầy nước cần đốt nóng, bên trong bình là những ống nhỏ không cánh đặt nằm ngang (đây là bề mặt truyền nhiệt của thiết bị) Hơi nước đi trong các ống nhỏ, ngưng tụ và nhả nhiệt đun nóng nước (thiết bị đun nóng nước chu kỳ dùng