Thiết bị trao Đổi nhiệt tên bài tập tính toán thiết kế thiết bị trao Đổi nhiệt khói – nước

Các loại thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp như bộ quá nhiệt , bộ sấy không khí , bộhâm nước , bình ngưng hơi dùng cho nhà máy nhiệt điện , các calorife khói và hơi nước dùng cho công ng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Trường : đại học Nông lâm TP.HCM Khoa : Cơ Khí – Công Nghệ

Bộ môn : Thiết bị trao đổi nhiệt

 Tên bài tập : Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt khói – Nước

 Họ và tên sinh viên : Phạm Thế Đạt

 MSSV : 19118037

 Lớp : DH19CC

 Khóa : 2019 -2023

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 11/2021

Mục lục

Chương 1 : Mở đầu

Cùng với sự phát triển của công nghiệp , nhu cầu năng lượng ngày càng tăng , trong đó năng lượng nhiệt chiếm một tỉ lệ lớn Để sử dụng , khai thác có hiệu quả năng lượng nhiệt thì thiết bị trao đổi nhiệt chiếm một vai trò rất quan trọng

Ở nước ta , theo thịp độ phát triển của công nghiệp hoá đất nước , nhu cầu về nănglượng dùng trong công nghiệp và đời sống ngày càng tăng , trong đó nhu cầu sử dụng nhiệt năng chiếm tỉ lệ chủ yếu

Trong quá trình sản xuất và sử dụng nhiệt năng , thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết

bị rất quan trọng và cần thiết

Các loại thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp như bộ quá nhiệt , bộ sấy không khí , bộhâm nước , bình ngưng hơi dùng cho nhà máy nhiệt điện , các calorife khói và hơi nước dùng cho công nghiệp sấy , các loại bình ngưng , bình bốc hơi , tháp làm mát nước dùng cho ngành lạnh và điều hoà không khí, trong thiết bị nhiệt độ cao của lò công nghiệp , trong thiết bị hoá chất như nồi cô đặc , nồi chưng cất Ngoài ra , còn một số thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới như thiết bị ông nhiệt , thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời,….v

Trong bài tập lớn của môn học THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT này em tính toán thiết kế Bộ hâm nước của nhà máy nhiệt điện

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quang Giảng đã hướng dẫn tận tình để tôi hoàn thành bài tập lớn này, bài tập này chắc chắn sẽ không khỏi thiết sót , mong thầy đóng góp ý kiến để bài được hoàn thiện hơn!

Sinh viên thực hiện Phạm Thế Đạt

Chương 2 : Tổng quan về các thiết bị trao đổi nhiệt

1.Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt Trong kĩ thuật thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rất rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công nghệ ví dụ như lò hơi để sản sinh hơi nước, thiết bị ngưng tụ và bốc hơi trong thiết bị lạnh, thiết bị hồi nhiệt…

2.Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

Trong đời sống sinh hoạt hay trong công nghiệp, chúng ta luôn gặp yêu cầu cần đốt nóng hay làm nguội một chất lỏng, chất khí hoặc chất rắn nào đó, thiết bị nhằm thực hiện yêu cầu này được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt

Chất lỏng hay chất khi tham gia quá trình trao đổi nhiệt được gọi là chất mang nhiệt hay môi chất Số lượng môi chất tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị thường

là hai nhưng cũng có thể nhiều hơn

Do tính đa dạng của việc cần đốt nóng hay làm nguội môi chất, nên thiết bị trao đổi nhiệt có nhiều loại mà một số cách phân loại chúng sẽ được trình bày dưới đây

2.1.Phân loại theo nguyên lý làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt:

2.1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc ( hay hỗn hợp )

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt trong đó chất gia công và môi chất tiếp xúc với nhau,thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất với nhau tạo ra một hỗn hợp

VD: tháp giải nhiệt ,

Hình 1 : Tháp giải nhiệt

2.1.2.Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt.

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúc chất lỏng 1 mặt nhận nhiệt , khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt tỏa nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt 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

2.1.3.Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách rắn ngăn chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh và

2 chất lỏng trao đổi nhiệt theo kiểu truyền nhiệt Loại thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa 2 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

Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn

2.1.4.Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh Môi chất trong các ống nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1, sôi và hóa hơithành hơi bảo hòa 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 lớn nhiệt từ chất lỏng 1 đến chất lỏng 2

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt

2.2.Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo sơ đồ chuyển động chất lỏng với loại thiết bị

có vách ngăn:

 Sơ đồ song song cùng chiều

 Sơ đồ song song ngược chiều

 Sơ đồ song song đổi chiều

 Sơ đồ giao nhau 1 lần

 Sơ đồ giao nhau nhiều lần

2.3.Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo thời gian:

Phận làm 2 loại :

+ Thiết bị liên tục : Như bình ngưng , calorifer

+ Thiết bị làm việc theo chu kỳ : như nồi thanh trùng , thiết bị sấy theo mẻ

2.4.Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo công dụng:

Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm : như nồi nấu lò hơi

Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường : như tháp giải nhiệt, binh làm mát dầu

Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhở hơn nhiệt độ môi trường : như

tủ lạnh, tủ đông

2.5 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo ứng dụng:

Thiết bị trao đổi nhiệt có thể sử dụng để trao đổi nhiệt giữa:

 Chất lỏng – lỏng , nước

 Chất lỏng – khí, gas, hơi

 Chất khí – gas, hơi

2.6 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo số lượng môi chất:

Thông thường thiết bị trao đổi nhiệt dùng để trao đổi nhiệt giữa hai môi chất có nhiệt độ khác nhau Tuy nhiên trong nhiều ứng dụng trên cùng một thiết bị có thể được

sử dụng để trao đổi nhiệt giữa nhiều môi chất

Ví dụ điển hình là trao đổi nhiệt giữa hơi, nước, Glycol và sữa, nước hoa quả trongcác ứng dụng gia nhiệt thanh trùng sản phẩm

2.7 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo hình dạng bề mặt truyền nhiệt:

Hình dạng bề mặt truyền nhiệt phổ biến gồm:

 Bề mặt nhẵn (bare tube)

 Bề mặt có cánh (fined tube)

 Bề mặt dạng tấm loại xương cá chevron

2.8 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo kiểu dòng chảy:

Dòng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt có thể là loại 1 pass, double hoặc multi section

2.9 Các Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm:

Thiết bị được cấu tạo từ nhiều tấm trao đổi nhiệt mỏng Thiết bị cho hiệu suất trao đổi nhiệt lớn và kích thước nhỏ so với các loại thiết bị trao đổi nhiệt khác Chất liệu gioăng cao su và kỹ thuật hàn ngày nay giúp thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm được sử dụng rộng rãi

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm sử dụng chủ yếu cho môi chất lỏng hoạt động tại

áp suất thấp (dưới 30bar) Một số thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm đặc biệt sử dụng mối hàn có thể sử dụng cho các ứng dụng có áp suất lớn, môi chất là gas hoặc hơi nước

2.9.1.Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm ghép gioăng:

- Cấu tạo: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm ghép gioăng có cấu tạo đơn giản, bao gồm các tấm trao đổi nhiệt xếp chồng lên nhau và được làm kín bằng gioăng (gasket) cao

su Vật liệu tấm trao đổi nhiệt đa dạng: Inox, Titanium, Hastelloy Vật liệu Gasket có thể đáp ứng các dải nhiệt độ rộng: NBR, EPDM, Viton

- Do áp suất hoạt động thấp nên thiết bị phù hợp với các dạng trao đổi nhiệt giữa chất lỏng và chất lỏng

- Ứng dụng: Trao đổi nhiệt chất lỏng – lỏng, hơi – chất lỏng, hóa chất

- Ưu điểm: Diện tích trao đổi nhiệt lớn, lưu lượng lớn, công suất lớn

- Nhược điểm: Áp suất, nhiệt độ hoạt động thấp

2.9.2.Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hàn kín:

- Cấu tạo: Các tấm trao đổi nhiệt được xếp thành chồng, giữa 2 tấm được gắn với nhau bằng mối hàn Vật liệu tấm thông thường Inox trong khi vật liệu mối hàn là Đồng

- Ứng dụng: Hơi – chất lỏng, Gas- chất lỏng, chất lỏng – chất lỏng

- Ưu điểm: Nhiệt độ cao, áp suất cao

- Nhược điểm: Khó vệ sinh bảo dưỡng

2.10 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm:

Khái niệm: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được sử dụng rộng rãi nhất (tỷ

lệ 90%) trong công nghiệp vì độ bền, quy trình sản xuất đơn giản, lịch sử lâu đời, vật liệuchế tạo phổ biến

Cấu tạo: Thiết bị gồm một bó ống bên trong có chất lỏng cần được làm nóng hoặc lạnh chạy qua Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi áp suất và nhiệt độ làm việc cao Môi chất trao đổi nhiệt có thể là chất lỏng, khí, gas hoặc hơi

Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm phụ thuộc vào một số yếu tố:

+ Kích thước ống (tube): Sử dụng ống nhỏ sẽ giảm chi phí, thiết bị gọn nhẹ nhưng ngược lại sẽ khó vệ sinh, cáu bẩn

+ Chiều dày ống: Quyết định tới hệ số truyền nhiệt, độ mài mòn, khối lượng thiết

bị, khả năng có sẵn của phụ tùng

+ Chiều dài ống, khoảng cách giữa các ống, vách ngăn

+ Dòng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có thể là dòng chảy cùng chiều, dòng chảy ngang hoặc dòng chảy xoắn ốc.

2.11 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mặt phẳng:

Thiết bị trao đổi nhiệt loại này sử dụng cho các ứng dụng trao đổi nhiệt giữa khí – khí, khí chất lỏng hoặc hơi – khí

Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm các vách phẳng ngăn cách môi chất chạy xen kẽ trao đổi nhiệt

Ứng dụng: Gia nhiệt khí sơ cấp (Air Preheater), Thu hồi nhiệt thải (Heat

Recovery), Gia nhiệt khí (Air Heater), Tạo khí nóng (Hot Air Generator) , Thu hồi nhiệt (Recuperator), etc., nhiệt độ thiết kế cực đại có thể đạt được 1000 ℃

2.12 Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt:

Là một thiết bị quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một số ứng dụng cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt:

- Công nghệ tàu thủy: Làm nóng nước sử dụng hơi, ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm bằng nước biển, làm mát dầu

- Công nghệ hóa chất:

+ Dùng để làm bộ trao đổi nhiệt EO/EG, ngưng tụ VOC

+ Hệ thống thu hồi nhiệt thải áp suất và nhiệt độ cao

+ Hệ thống ngưng tụ ethanol, gia nhiệt, làm lạnh và ngưng tụ nhiều loại chất lỏng như acid sulfuric, acid nitric, acid acrylic, acid béo

+ Hệ thống lạnh công nghiệp: Bay hơi hoặc ngưng tụ gas NH3, Gas lạnh R32, R407

- HVAC:

+ Hệ thống làm nóng nước trung tâm, thiết bị tạo nước nóng nhanh sử dụng hơi nước

+ Thiết bị giảm áp tòa nhà Interconcepter sử dụng bộ trao đổi nhiệt

+ Hệ thống thu hồi nhiệt nóng Chiller

+ Thiết bị trao đổi nhiệt hệ thống năng lượng mặt trời, heatpump

- Công nghệ giấy: Thu hồi nhiệt thải, tạo màu giấy,…

- Thực phẩm và đồ uống: bộ trao đổi nhiệt sử dụng phổ biến trong công nghệ thực phẩm và đồ uống Do yêu cầu gia nhiệt hoặc làm lạnh sản phẩm Hoặc có thể được

sử dụng để thanh trùng, tiệt trùng, bảo quản thực phẩm, đồ uống như sữa, bia, nước giải khát

- Công nghệ dệt: Thu hồi nhiệt ở quá trình giặt, tẩy rửa

- Khí đốt và than đá: Làm lạnh amonia, benzen, gia nhiệt hoặc thu hồi nhiệt quá trình bay hơi CO2

- Công nghiệp điện:

+Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng làm mát dầu tuabin sử dụng nước hồ, nước suối

+ Bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống năng lượng mặt trời

+ Bộ trao đổi nhiệt có nhiều công dụng và chức năng khác nhau nên khả năng ứng dụng của thiết bị này là vô tận

Chương 3 : Tính toán thiết kế thiết bị bộ hâm nước nhà máy

nhiệt điện.

1.Tổng quan bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện:

1.1.Công dụng và phân loại bộ hâm nước:

Nhiệm vụ và vai trò bộ hâm nước nồi hơi là gia nhiệt cho nước cấp đến nhiệt độ sôi hoặc gần sôi trước khi nước vào bao hơi

Theo nhiệm vụ có thể phân thành hai kiểu bộ hâm: Bộ hâm nước kiểu sôi và kiểu chưa sôi Ở bộ hâm nước kiểu sôi, nước ra khỏi bộ hâm đạt đến trạng thái sôi, độ sôi có thể đạt tới 30% Bộ hâm nước kiểu sôi có thể đợc chế tạo bằng ống thép trơn hoặc ống thép có cánh

Ở bộ hâm nước kiểu cha sôi, nước ra khỏi bộ hâm nước cha đạt đến nhiệt độ sôi

Bộ hâm nước kiểu cha sôi có thể được chế tạo bằng thép hay bằng gang tùy theo thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu Khi tăng áp suất hơi thì phần nhiệt lượng để đun nước đến sôi tăng lên, do đó phần nhiệt lượng hấp thu trong bộ hâm nớc phải tăng lên Khi đó phải chế tạo thiết bị bộ hâm nước nồi hơi kiểu sôi

1.2.Bộ hâm nước ống thép trơn:

Bộ hâm nước ống thép trơn có cấu tạo gần như bộ quá nhiệt, gồm các ống thép có đường kính từ 28 đến 38mm được uốn gấp nhiều lần và hai đầu được nối vào hai ống gópcủa thiết bị bộ hâm nước nồi hơi

Bộ hâm nước được chế tạo thành từng cụm có chiều cao khoảng 1m và các cụm được đặt cách nhau 0,6m nhằm tạo khoảng trống cho việc làm vệ sinh được dễ dàng Thông thường các ống xoắn của bộ hâm nước đợc bố trí sole, tạo tốc độ dòng khói lớn vàxoáy nhiều nhằm tăng cờng truyền nhiệt

1.3.Bộ hâm nước ống thép có cánh:

Bộ hâm nước bằng gang gồm những ống gang đúc có đường kính trong từ 76-120

mm, dài từ 1,5-3m, được nối với nhau bằng các cút nối có mặt bích và bu lông nên lắp đặt rất dễ dàng

Về cấu tạo, bộ hâm nước bằng ống thép có cánh giống bộ hâm nước ống thép trơn,chỉ khác là ở ngoài ống người ta làm thêm các cánh để làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhằm tăng cường truyền nhiệt Thiết bị bộ hâm nước nồi hơi kiểu có cánh có nhược điểm: Khả năng bám bụi rất lớn, khó làm vệ sinh do đó ít được dùng

1.4.Bộ hâm nước bằng gang:

Gang có ưu điểm là chịu được sự ăn mòn của các axít và mài mòn của tro, do vậy

ở những nồi hơi đốt nhiệt liệu có nhiều lưu huỳnh người ta dùng bộ hâm nước bằng gang.Tất nhiên gang lại có nhược điểm là chịu lực va đập kém, do đó để tránh hiện tượng thủy kích gây lực va đập trong các ống của bộ hâm, nước trong bộ hâm phải không được sôi, nghĩa là thiết bị bộ hâm nước nồi hơi bằng gang chỉ được trang bị cho những lò cần bộ hâm nước kiểu chưa sôi

Gang có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn thép, do đó phía ngoài ống được đúc thêm các cánh để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt

Bộ hâm nước bằng gang gồm những ống gang đúc có đường kính trong từ 76-120

mm, dài từ 1,5-3m, đựợc nối với nhau bằng các cút nối có mặt bích và bu lông nên lắp đặt rất dễ dàng

Bộ hâm nước bằng gang có nhược điểm là kích thước lớn, nặng nề Bộ ống bằng gang thường được dùng cho những lò công suất nhỏ hoặc trung bình Thông thờng các lò loại này chưa có hệ thống xử lý nước hoặc có nhưng chưa hoàn thiện nên trong nước còn nhiều chất có khả năng gây ra ăn mòn, mà gang chịu ăn mòn và mài mòn tốt nên tuổi thọ

sẽ cao hơn so với thiết bị bộ hâm nước nồi hơi bằng thép

1.5.Cách nối bộ hâm nước:

Nước đi từ các bình gia nhiệt vào bộ hâm nước và ra khỏi bộ hâm nước đi vào baohơi.Việc nối bộ hâm nước với bao hơi thực hiện bằng hai cách: ngắt được ra khỏi lò và không ngắt được ra khỏi lò

Kiểu ngắt được ra khỏi lò được dùng cho loại bộ hâm nước bằng gang Việc đặt bộhâm nước kiểu ngắt được ra khỏi lò chủ yếu là bảo vệ để nước không sôi trong bộ hâm khi khởi động lò hoặc lúc làm việc với phụ tải thấp Khi đó cho khói đi đường tắt, khói không đi qua thiết bị bộ hâm nước nồi hơi hoặc cho nước từ bộ hâm tái tuần hoàn về bể chứa nước cấp Muốn nối kiểu ngắt được thì cần phải có đường khói tắt làm cho phức tạpthêm lò Kiểu không ngắt được ra khỏi lò đợc dùng cho loại bộ hâm nước bằng thép

2.Tính toán bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện:

2.1.Thông số tính toán bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện:

Bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện có các thông số sau: nước chảy trong ống có lưu lượng nước G2 (T/h); nhiệt độ nước vào ống t2’; nhiệt độ nước ra t2” ; Khói có thành phần thể tích CO2 và H2O; Nhiệt độ khói vào thiết bị t1’; lưu lượng khói G1 (T/h) Thôngtheo như bản bên dưới