Nghiên cứu, tính toán nhiệt sơ bộ thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống nhiệt trọng trường tận dụng nhiệt khói thải gia nhiệt cho bộ sấy không khí ứng dụng cho nhà máy nhiệt điện ô môn

Với lò hơi sản xuất hơi bão hòa thì chỉ cầnbiểu thị hoặc áp suất hoặc nhiệt độ của hơi trong balong + Hiệu suất của lò hơi: Thường dùng kí hiệu nhiệt, nó là tỷ số giữa phần nhiệtlượng mà

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1 Lò hơi

Lò hơi là thiết bị chuyển hoá các năng lượng khác thành nhiệt năng:

 Trong các buồng đốt nhiên liệu hữu cơ, chuyển hoá năng của nhiên liệuhữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt, vv… thành nhiệt năng của sản phẩm cháy

 Trong các lò phản ứng nguyên tử tiến hành các phản ứng phân huỷ hoặctổng hợp hạt nhân nguyên tử phát ra nhiệt

 Trong lò hơi mặt trời, các bộ hấp thu năng lượng bức xạ của mặt trời rồichuyển hoá thành nhiệt năng

 Trong lò hơi điện nhiệt, chất tải nhiệt hoặc môi chất hấp thu nhiệt năngtrong lòng đất

 Trong lò điện chuyển điện năng thành nhiệt năng

Lò hơi còn có nhiệm vụ truyền nhiệt năng sinh ra cho chất tải nhiệt hoặc môichất để đưa chứng từ thể lỏng có nhiệt độ thông thường lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt

độ sôi biến thành hơi bão hoà hoặc hơi quá nhiệt

Hình 1.1 Cách tận dụng nhiệt thải lò hơi

1.1 Các đặc tính cơ bản của lò hơi

+ Sản lượng hơi D: là lượng hơi sản xuất được trong 1 đơn vị thời gian, đobằng tấn/giờ (T/h) , kg/h , kg/s Thường chú ý 3 loại sản lượng là:

+ Sản lượng hơi định mức Do là sản lượng hơi lớn nhất mà lò hơi có thể làmviệc lâu dài với thông số hơi quy định, thường ghi trên nhãn hiệu của lò hơi

+ Sản lượng hơi kinh tế Dkt là sản lượng hơi mà lò hơi làm việc với hiệu suấtnhiệt cao nhất, thường bằng khoảng 75% đến 90% sản lượng hơi định mức

+ Sản lượng hơi cực đại Dmax là sản lượng hơi lớn nhất cho phép lò hơilàm việc tạm thời trong 1 thời gian ngắn, vượt sản lượng định mức khoảng10% đến 20%

+ Thông số hơi: Đối với lò hơi sản xuất hơi quá nhiệt thì biểu thị bằng áp suất

và nhiệt độ của hơi sau bộ quá nhiệt Với lò hơi sản xuất hơi bão hòa thì chỉ cầnbiểu thị hoặc áp suất hoặc nhiệt độ của hơi trong balong

+ Hiệu suất của lò hơi: Thường dùng kí hiệu nhiệt, nó là tỷ số giữa phần nhiệtlượng mà môi chất hấp thu được với tổng nhiệt lượng cung cấp vào Người ta còndùng hiệu suất execgi là tỷ số giữa lượng execgi của hơi san xuất ra với lượngexecgi của nhiên liệu cấp vào

+ Năng suất bốc hơi của bề mặt truyền nhiệt d, kg/m h , là lượng hơi sản xuất

ra trong 1 đơn vị thời gian ứn g với 1 đơn vị diện tích bề mặt truyền nhiệt

+ Suất tiêu hao kim loại g, kg/T/h, tức khối lượng kim loại dùng để chế tạoứng với sản lượng hơi là 1T/h

+ Nhiệt thế thể tích của buồng lửa là lượng nhiệt tỏa ra trong 1 đơn vị thờigian ứng với 1 đơn vi thể tích buồng lửa, đơn vị W/m

+ Nhiệt thế diện tích của ghi lò là nhiệt lượng tỏa ra trong 1 đơn vi thời gianứng với 1 đơn vị diện tích mặt ghi lò

Tùy theo mục đích sử dụng mà cấu tạo lò hơi có thể rất khác nhau Vì vậy,việc phân loại chúng cũng rất khác nhau

 Theo chế độ đốt nhiên liệu trong buồng lửa có các loại : lò ghi gồm lò ghithủ công ( ghi cố định ), lò ghi nửa cơ khí và lò ghi cơ khí, lò phun đốt với nhiênliệu lỏng hay khí, đốt bột than, thải xỉ lỏng hay thải xỉ khô,…

 Theo chế độ tuần hoàn của nước gồm các loại: tuần hoàn tự nhiên, tuầnhoàn cưỡng bức, đối lưu tự nhiên.

 Theo lịch sử phát triển lò có các loại: kiểu bình, ống lò, ống lửa, ống nước

 Theo thông số hay công suất của lò có lò hơi công suất thấp, trung bình,cao, siêu cao,…

 Theo công dụng có lò hơi tĩnh tại, lò hơi nửa di động và di động, lò hơicông nghiệp, lò hơi cho phát điện

Những phương pháp phân loại lò hơi như trên chỉ thể hiện một vài đặc tínhnào đó của lò hơi, vì vậy trong thực tế khi gọi tên lò hơi, người ta thường kết hợpnhiều kiểu phân loại, ví dụ như: lò đốt than phun có bao hơi, lò ghi cố định ốngnước nằm nghiêng.

1.2 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của các dạng lò hơi

1.2.1 Lò hơi công nghiệp loại ghi xích

Hình 1.2 Lò hơi ghi xích

Thuộc loại lò hơi công suất nhỏ hoặc trung bình Cấu tạo gồm: trống (1), vanhơi chính (2), đường cấp nước (3), ghi lò dạng xích (4), buồng lửa (5), hộp tro xỉ(6), hộp gió (7) cấp gió cấp 1 qua ghi cho lớp nhiên liệu trên ghi, phễu than (8), ốngkhói (9), bộ sấy không khí (10), quạt (11), quạt khói (12), bộ hâm nước (13), dànống nước xuống (14), ống góp dưới (15), dàn ống nước lên (16), dãy phestôn (17)

và bộ quá nhiệt (18)

Nguyên lý làm việc của lò hơi ghi xích:

Than từ phễu cấp than được rót lên ghi với một chiều dày được điều chỉnhsẵn và chuyển động cùng ghi vào buồng lửa; Tại đây nhiên liệu nhận được nhiệtbức xạ từ ngọn lửa, vách tường, cuốn lò Nhiên liệu được sấy nóng, khô dần và chấtbốc thoát Chất bốc và cốc cháy tạo thành tro xỉ và được gạt xỉ thải ra ngoài Chiềudày lớp nhiên liệu trên mặt ghi cũng được lựa chọn hợp ly cho mỗi loại nhiên liệu

Ví dụ: Than cám antraxit, than đá: 150-200 mm; than nâu 200-300 mm; than bùn700-1000 mm; củi gỗ 400-600 mm; Không khí cấp vào buồng lửa thường chiathành gió cấp 1 cấp từ dưới ghi lên và gió cấp 2 cấp phía trên lớp nhiên liệu Tỷ lệgiữa gió cấp 1 và cấp 2 cũng được tính toán lựa chọn phù hợp Thông thường giócấp 2 chiểm khoảng 8-15%; Tốc độ gió cấp 2 ra khỏi vòi phun thường khá cao từ50-80 m/s

1.2.2 Lò hơi đốt than phun có bao hơi

Hình 1.3 Lò hơi kiểu than phun

Đây là loại nồi hơi có thể dùng nhiên liệu lỏng (mazút), nhiên liệu khí (khíthiên nhiên, khí lò cốc, ) nhiên liệu rắn đã nghiền thành bột

Lò hơi đốt phun gồm các bộ phận: trống (1), van hơi chính (2), đường nướccấp (3), vòi phun (4), buồng lửa (5), phễu tro lạnh (6) dùng làm nguội các hạt tro xỉkhi thải ra ngoài trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ (7), bơm nước cấp (8), ống khói(9), bộ sấy không khí (10), quạt gió (11), bộ hâm nước (13), dàn ống nước xuống(14), dàn ống nước lên (15), dãy phestôn (17), bộ quá nhiệt (18)

Nguyên lý làm việc của buồng lửa lò hơi than phun:

Than bột với kích thước khoảng 40 μm (đường kính các hạt dưới 90 μmm (đường kính các hạt dưới 90 μm (đường kính các hạt dưới 90 μmmchiếm 80-90%) được phun vào buồng lửa bằng gió cấp 1 qua các vòi phun vớitốc độ từ 12-26m/s Bột than được nhận nhiệt và tiếp xúc với không khí đã đượcsấy nóng thoát chất bốc và cháy Không khí cấp vào lò gồm gió cấp 1, cấp 2 và

có thể có gió cấp 3 (hỗn hợp của không khí với bột than sau hệ thống nghiềnthan); Tùy theo loại nhiên liệu người ta lựa chọn tỷ lệ giữa các loại gió cấp 1 và2; Ví dụ: gió cấp 1 có thể chiếm khoảng 11-45% và được sấy nóng đến nhiệt độ

từ 100-400OC; Gió cấp 2 thổi vào lò với tốc độ 18-32 m/s; Gió cấp 3 thườngchiếm khoảng 10% và thổi vào lò với tốc độ cao hơn (thường từ 30-60m/s);Nhiệt độ gió cấp 1 có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình cháy Thực nghiệm chothấy không khí sấy đến 900OC thì khi tiếp xúc với bột than sẽ bén lửa và cháyngay, ở 700OC sẽ bốc cháy sau 0,4s và ở 100OC bốc cháy sau 1,6 s Khi cháynhiệt sinh ra trong buồng lửa Do quá trình trao đổi nhiệt hệ thống ống sinh hơi ởvách lò nên nhiệt độ giảm đi nên nhiệt độ trong buồng lửa không đều Tại trungtâm nhiệt độ cao nhất có thể đạt tới 1500-1600OC hoặc cao hơn; Càng gần dànống nhiệt độ càng giảm

Quá trình cháy của nhiên liệu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tính chấtcủa nhiên liệu, nồng độ bột than, nhiệt độ và tốc độ của hỗn hợp bột than và khôngkhí, nhiệt độ không khí v.v…

Nồng độ bột than được lựa chọn thích hợp cho từng loại than Nồng độ nàythường nằm trong khoảng 400-500 g/m3

Nhiệt độ hỗn hợp không khí và bột than càng cao quá trình cháy sẽ xảy ranhanh, hiệu suất cháy nâng lên, song cần tránh hiện tượng tự bốc cháy trong ốngdẫn nhiên liệu Vì vậy giới hạn trên của nhiệt độ này không quá 400OC

1.2.3 Lò đốt than phun trực lưu

Lò hơi trục lưu có môi chất chuyển động cưỡng bức cấu tạo của lòhơi Trục lưu được chỉ ở hình 1.4 Đặc điểm làm việc của nó là môi chất làmviệc một chiều, từ lúc vào ở trạng thái nước cấp tới lúc ra ở trạng thái hơiquá nhiệt có thông số quy định Lò hơi trục lưu ra đời vào năm 1925-1930

Hình1.4 Lò hơi trục lưu

1- phần hấp thụ nhiệt bức xạ, 2- bộ quá nhiệt, 3-bộ hâm nước,

4-bộ sấy, 5- bộ lấy hơi ra, 6- khói thải

1.2.4 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Hình 1.5 Lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Nguyên lý làm việc của lò hơi tầng sôi tái tuần hoàn:

Nhiên liệu sau khi sơ chế được đưa vào buồng lửa, gió cấp 1 được cấp vào từphía dưới buồng đốt làm nhiệm vụ tạo lớp sôi Gió cấp 2 được cấp vào buồng lửa ởmột độ cao nhất định Các hạt nhiên liệu chuyển động lên xuống trong buồng lửa vàcháy Khi cháy các hạt than nhẹ dần và bay theo khói ra khỏi buồng lửa Khi vào bộphận phân ly hạt than lắng lại và được đưa trở về buồng lửa tiếp tục quá trình cháy.Chu trình được lặp lại cho đến khi hạt than cháy kiệt Để khử lưu huỳnh trong thanngười ta đưa thêm vào buồng lửa đá vôi

Lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình cháy nhiên liệu được cấp cho các dàn ốngsinh hơi bố trí xung quanh buồng lửa, khói với nhiệt độ cao (800-9000C) từ buồng lửa

đi ra sẽ truyền nhiệt cho các bộ quá nhiệt, bộ hâm nước, bộ sấy không khí v.v Khóithải ra khỏi lò hơi với nhiệt độ thấp (dưới 2000C) được đưa qua hệ thống thiết bị khửbụi để lọc tro xỉ bay theo khói trước khi đi qua ống khói vào môi trường

1.2.5 Lò hơi đốt dầu, khí

Đây là loại lò hơi đơn giản gồm các bộ phận chính: Trống (bao hơi) (1) chứanước hơi và cũng là bề mặt truyền nhiệt; van hơi chính (2) để điều chỉnh lượng hơicung cấp Van cấp nước (3) để cấp nước vào nồi hơi; (5) buồng lửa; ghi lò (4) cốđịnh, đỡ nhiên liệu cháy, đồng thời có khe hở để không khí cấp từ (6) buồng cấpkhông khí và nhận tro, xỉ; cửa gió (7) và cửa cấp nhiên liệu (8); ống khói (9)

Hình 1.6 Lò hơi đốt thủ công

Nguyên lý làm việc của lò hơi với buồng lửa cố định:

Than được đưa vào trên ghi gặp lớp nhiên liệu đang cháy sẽ nhận nhiệt vànhiệt độ tăng lên, nước trong nhiên liệu bay hơi, nhiên liệu khô dần Tiếp theo làchất bốc thoát ra gặp oxy trong không khí sẽ bốc cháy Nhiên liệu khi đạt đến nhiệt

độ cháy sẽ bốc cháy Các loại than ít chất bốc (than gầy, than antraxit quá trình cháychủ yếu diễn ra trên mặt ghi, các loại dễ cháy khác thì cháy trong buồng lửa Để duytrì quá trình cháy người ta cấp không khí từ dưới ghi lên Hiệu suất cháy của nhiênliệu phụ thuộc vào tỷ lệ giữa khí và nhiên liệu, chiều dày lớp nhiên liệu trên ghi.Chiều dày lớp nhiên liệu được lựa chọn theo loại nhiên liệu sử dụng Theo kinhnghiệm thiết kế vận hành lò hơi dạng này thì than antraxit với kích thước hạt từ 2-5mm lớp than trên ghi cố định dày từ 60-120 mm; than don tối đa khoảng 200 mm,than bùn khoảng từ 300-900 mm, gỗ bã mía khoảng 600-1500 mm

1.3 Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt

- Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyềnnhiệt giữa các chất mang nhiệt bao gồm các dạng:

 Trao đổi nhiệt dạng vách ngăn

 Trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt

 Trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp

- Các loại thiết bị thường gặp:

 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc

 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống

 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn

 Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng ống nhiệt

1.3.1 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc

- Nguyên lý hoạt động:

 Quá trình truyền chất tải nhiệt sẽ được đưa vào khoảng trống giữa 2 lớp vỏ

để thực hiện đun nóng hay làm nguội

 Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trongthiết bị

 Để tăng hiệu suất truyền nhiệt, người ta thường đặt thêm cánh khuấy

- Cấu tạo:

Hình 1.7 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc loại ống chùm

- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo dưỡng và sửa chữa

- Nhược điểm: hệ số truyền nhiệt không cao, thiết bị cồng kềnh

1.3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống

a Ống xoắn

- Cấu tạo:

Hình 1.8 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn

- Nguyên lý làm việc: Khi làm việc thì một môi chất đi ngoài ống, còn môichất kia đi trong ống Chất lỏng đi trong ống thì phải đi từ dưới lên, hơi nước dùngtrong truyền nhiệt thì phải đi từ trên xuống

- Ưu điểm: tạo bề mặt trao đổi nhiệt lớn

- Nhược điểm: chế tạo phức tạp, hệ số truyền nhiệt nhỏ, khó làm sạch pháitrong ống

b Ống tưới

 Mật độ tưới khoảng 200 – 1500 l/h/m chiều dài của ông tưới dãy trên cùng.

 Chất tải nhiệt sẽ đi bên trong các ống

- Ưu điểm: lượng nước làm mát ít, cấu tạo đơn giản, dễ làm sạch bề mặtngoài, dễ thay thế và sửa chữa

- Nhược điểm: cồng kềnh, lượng nước không được tưới đều trên bề mặt ống

c Ống lồng ống

- Nguyên lý làm việc:

Chất tải nhiệt 1 đi giữa 2 ống; chất tải nhiệt 2 đi trong ống trong

Chuyển động của môi chất thường được bố trí ngược chiều nhau

- Cấu tạo:

Hình 1.10 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống

 Một ống có đường kính lớn hơn bọc 1 hoặc nhiều ống nhỏ bên trong; hoặcgồm nhiều ống nối tiếp với nhau, mỗi đoạn có 2 đoạn ống lồng vào nhau

 Ống trong có thể trơn hoặc có cánh dọc theo chiều dài của ống

- Ưu điểm: có hệ số truyền nhiệt lớn, dễ điều chỉnh tốc độ chảy của môichất, chế tạo đơn giản

- Nhược điểm: cồng kềnh, giá thành cao, khó vệ sinh và sửa chữa

d Ống chùm

- Cấu tạo:

Hình 1.11 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm

 Có vỏ hình trụ, bên trong lắp các ống trao đổi nhiệt

 Trên vỏ và nắp thiết bị có các cửa để dẫn chất tải nhiệt vào và ra

 Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hìnhtròn đồng tâm, hình vuông

- Nguyên lý làm việc:

 2 môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống.

 Môi chất lỏng thường đi trong ống, môi chất khí và hơi đi ngoài ống Môichất nóng cũng thường được bố trí đi trong ống

- Ưu điểm: kết cấu gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bềmặt truyền nhiệt lớn, dễ vệ sinh và sửa chữa

- Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao

e Ống có cánh

- Cấu tạo:

 Các cánh trên ống thường có chiều cao tương đối lớn nên gọi là cánh dài

 Cánh làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt và thường được cấu tạo kiểu cánhdọc và cánh ngang

Hình 1.12 Thiết bị trao đổi nhiệt loại có cánh

- Nguyên lý làm việc: môi chất chuyển động trong ống là chất lỏng hoặchơi nước có hệ số toả nhiệt lớn hơn nhiều so với hệ số toả nhiệt của chất khíbên ngoài

1.3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn

- Cấu tạo:

 Có thành phần cơ bản là các tấm trao đổi nhiệt cơ bản

 Bề mặt gồm nhiều tấm xếp lên 1 khung đỡ, bên trong có các khe rãnh đểlưu chất chuyển động, vật liệu thường là thép không rỉ, nhôm,…

Hình 1.13 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn

- Nguyên lý làm việc:

 Khi chất lỏng lưu động qua các khe rãnh, môi chât sẽ chuyển động dướidạng màng mỏng nên tạo ra hệ số trao đổi nhiệt rất cao, tạo điều kiện tốt để đốtnóng hay làm lạnh môi chất

 Các tấm thường đặt song song với nhau tạo ra các khoảng không gian hẹp,tạo nên các kênh dẫn riêng biệt cho các môi chất khác nhau

- Ưu điểm:

 Đảm bảo hệ số truyền nhiệt cao với hệ số trở kháng thuỷ lực thấp

 Thiết bị gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp

 Làm việc đáng tin cậy, không bị rò gỉ

 Kết hợp hài hoà giữa lắp đặt à bảo dưỡng thiết bị

- Nhược điểm: chế tạo các tấm truyền nhiệt thường phải qua xử lí nhiệt vàgia công phức tạp

1.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng ống nhiệt

Hình 1.14 Thiết bị ống nhiệt

Ống nhiệt có thể truyền nhiệt năng gấp 100 lần so với đồng, vốn được coi làchất dẫn nhiệt tốt nhất Nói cách khác, đường ống nhiệt là một hệ thống truyền vànhận nhiệt năng liền khối nên chỉ yêu cầu bảo dưỡng ở mức thấp nhất Đường ốngnhiệt bao gồm 3 bộ phận: 1 bình chứa kín, 1 kết cấu mao dẫn và chất lỏng truyềnlực Kết cấu mao dẫn được chế tạo liền khối thành bề mặt trong của ống chứa vàđược đóng kín trong chân không Nhiệt năng đưa tới bề mặt ngoài của đường ốngnhiệt cân bằng với chính hơi của đường ống vì ống bình chứa được làm kín trongchân không Nhiệt năng tới bề mặt ngoài của đường ống nhiệt khiến cho chất lỏngtruyền lực gần bề mặt bay hơi ngay tức thời Hơi được tạo thành hấp thu nhiệt ẩmcủa quá trình bốc hơi và phần đường ống nhiệt này trở thành vùng bay hơi Sau đóhơi đi tới đầu kia của đường ống, tại đây nhiệt năng bị khử khiến cho hơi ngưng tụlại thành chất lỏng và như thế bỏ đi nhiệt ẩn của quá trình ngưng tụ Phần này củaống nhiệt hoạt động như vùng ngưng tụ Sau đó chất lỏng ngưng tụ quay về vùngbay hơi.

1.4 Các thiết bị trao đổi nhiệt thường dùng trong nhà máy

1.4.1 Bộ hâm nước

Để tận dụng nhiệt thừa của khói sau bộ quá nhiệt nhằm nâng cao hiệu suấtcủa lò hơi, người ta bố trí thêm phía sau bộ quá nhiệt các bề mặt nhận nhiệt như

bộ hâm nước, bộ sấy không khí Vì vậy bộ hâm nước còn được gọi là bộ tiếtkiệm nhiệt

Bố trí bộ hâm nước và bộ sấy không khí được bố trí sau bộ quá nhiệt, việc bốtrí chúng có liên quan chặt chẽ với nhau phụ thuộc vào nhiệt độ không khí nóng vànhiệt độ nước cấp vào bộ hâm

 Công dụng và phân loại bộ hâm nước

Nhiệm vụ của bộ hâm nước là gia nhiệt cho nước cấp đến nhiệt độ sôi hoặcgần sôi trước khi nước vào bao hơi

Theo nhiệm vụ có thể phân thành hai kiểu bộ hâm: Bộ hâm nước kiểu sôi vàkiểu chưa sôi

 Ở bộ hâm nước kiểu sôi, nước ra khỏi bộ hâm đạt đến trạng thái sôi, độsôi có thể đạt tới 30% Bộ hâm nước kiểu sôi có thể được chế tạo bằng ống théptrơn hoặc ống thép có cánh

 Ở bộ hâm nước kiểu chưa sôi, nước ra khỏi bộ hâm nước chưa đạt đếnnhiệt độ sôi Bộ hâm nước kiểu chưa sôi có thể được chế tạo bằng thép hay bằnggang tùy theo thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu.

Lượng nhiệt nước hấp thu được trong bộ hâm nước sẽ phụ thuộc vào nhiệt

độ nước cấp vào lò, nhiệt độ nước cấp ra khỏi bộ hâm nước và độ sôi của nướctrong bộ hâm

Nhiệt độ nước cấp khi vào bộ hâm nước được lựa chọn trên cơ sở tính toánkinh tế kỹ thuật chu trình nhiệt của toàn nhà máy Khi nhiệt độ nước cấp vào bộhâm nước tăng lên thì lượng nhiệt nước hấp thu được trong bộ hâm nước sẽ giảmlàm nhiệt độ khói thải ra khỏi lò tăng, nghĩa là hiệu suất lò hơi giảm xuống, nhưngtrái lại khi đó hiệu suất chu trình nhiệt lại tăng lên Nhiệt độ nước cấp có lợi nhấtđược tính toán theo thông số của chu trình nhiệt

Khi tăng áp suất hơi thì phần nhiệt lượng để đun nước đến sôi tăng lên, do đóphần nhiệt lượng hấp thu trong bộ hâm nước phải tăng lên Khi đó phải chế tạo bộhâm nước kiểu sôi (đối vơi các lò trung áp, phần nhiệt lượng để sinh hơi chiếmkhoảng 60% toàn bộ nhiệt lượng cấp cho lò)

Đối với các lò ghi, vì bắt buộc nhiệt độ không khí nóng không cao (khoảng

1500C) nên toàn bộ lượng nhiệt của khói ở phần đuôi lò sẽ dành cho bộ hâm nước

Vì vậy bộ hâm nước sẽ được thiết kế với độ sôi cao, lượng nước bốc hơi trong bộhâm có thể tới 30% Đối với các lò hơi hiện đại, bộ hâm có thể được thiết kế kiểusôi hoặc không sôi

Về cấu tạo bộ hâm nước có thể được chia thành ba loại: ống thép trơn, ốngthép có cánh và ống gang Bộ hâm nước bằng ống thép có cánh về cấu tạo giống bộhâm nước ống thép trơn, chỉ khác là ở ngoài ống người ta làm thêm các cánh để làmtăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhằm tăng cường truyền nhiệt Bộ hâm nướckiểu ống thép có cánh có ưu điểm là tăng cường được hệ số truyền nhiệt, nhưng chếtạo phức tạp và dễ bị bám tro bụi, khó vệ sinh nên hiện nay không sử dụng nữa

a Bộ hâm nước ống thép trơn

Thông thường các ống xoắn được uốn nhiều lần trong một mặt phẳng Bánkính uốn của ống xoán khoảng 1,5 đến 2 lấn đường kính ống còn bước ngang tươngđối giữa các ống bằng 2 hoặc 3 lần đường kính ống để hạn chế bám tro bụi Các mặt

phẳng ống xoắn có thể đặt song song hoặc vuông góc với tường sau của lò Khi đặtvuông góc với tường sau của lò thì do chiều sâu đường khói nhỏ hơn chiều rộng nênống xoắn sẽ ngắn hơn do đó việc giữ ống xoắn sẽ đơn giản hơn nhiều, chỉ cần giữhai điểm hai đầu ống xoắn, nhưng khi đó tất cả các ống xoắn đều năm ở vùng sátphía sau tường lò, nơi có lượng tro bay theo khói nhiều nhất và tốc độ khói lớn nhất,nên tất cả các ống xoắn đều bị mài mòn và mài mòn nhiều nhất Bởi vậy gần như ởtất cả các lò hơi đều bố trí mặt phẳng ống xoắn song song với tường sau của lò đểchỉ một vài dẫy phía sau bị mài mòn Với những lò hơi công suất lớn, chiều rốngđường khói rất lớn nên bộ hâm nước thường được chia thành hai phần, có hai đườngnước đi riêng.

Việc bố trí ống xoắn cũng phải chú ý đến tốc độ nước đi trong các ốngxoắn Tốc độ nước được lựa chọn trên cơ sỏ ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn ởphần không sôi của bộ hâm, tốc độ nước phải không được nhỏ hơn 0,3 m/s, còn

ở phần sôi để tránh hiện tượng phân tầng trong ống thì tốc độ nước phải lớnhơn 1 m/s

Hình 1.15 Sơ đồ không gian ống xoắn bộ hâm nước

Đối với các lò hơi nhỏ, để đảm bảo tốc độ nước trong ống xoắn có thể bố tríống xoắn theo hình không gian, khi đó toàn bộ bộ hâm có thể chỉ là một hay vài ốngxoắn như trên hình 1.15 Các ống xoắn được giữ bằng các đai thép có thể được treohoặc đỡ trên dầm

b Bộ hâm nước bằng gang

Gang có ưu điểm là chịu được sự ăn mòn của các axít và mài mòn của tro, dovậy ở những lò hơi đốt nhiệt liệu có nhiều lưu huỳnh hoặc ở những lò hơi không có

hệ thống xử lý nước người ta dùng bộ hâm nước bằng gang Tất nhiên gang lại cónhược điểm là chịu lực va đập kém, do đó để tránh hiện tượng thủy kích gây lực vađập trong các ống của bộ hâm, nước trong bộ hâm phải không được sôi, nghĩa là bộhâm nước bằng gang chỉ được trang bị cho những lò cần bộ hâm nước kiểu chưa sôi

và nhiệt độ nước ra khỏi bộ hâm phải nhỏ hơn nhiệt độ sôi ở áp suất tương ứngkhoảng 4000C

Bộ hâm nước bằng gang được gồm những ống gang đúc có đường kính trong

từ 76 đến 120 mm, dài từ 1,5 đến 3m, được nối với nhau bằng các cút nối có mặtbích và bu lông nên lắp đặt rất dễ dàng Về mặt cấu tạo bộ hâm nước bằng ganggồm một hoặc vài ống xoắn bố trí kiểu không gian

Gang có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn thép, do đó để tăng cường khả năng truyềnnhiệt phía ngoài ống được đúc thêm các cánh Bộ hâm nước bằng gang có nhượcđiểm là kích thước lớn, nặng nề, đồng thời do có cánh nên tro bụi bám lên ống rấtnhiều, vì vậy cần phải đặt thêm bộ thổi bụi cho nó

Bộ ống bằng gang thường được dùng cho những lò công suất nhỏ hoặc trungbình Thông thường các lò loại này chưa có hệ thống xử lý nước hoặc có nhưngchưa hoàn thiện nên trong nước còn nhiều chất có khả năng gây ra ăn mòn, mà gangchịu ăn mòn và mài mòn tốt nên tuổi thọ sẽ cao hơn so với bộ hâm nước bằng thép

Hiện nay bộ hâm nước bằng gang chỉ cho phép làm việc đến áp suất 4 Mpa

Khi vận hành bộ hâm nước bằng gang cần lưu ý trong giai đoạn nhóm lò do nước không lưu thông liên tục vào lò nên để tránh hiện tượng đốt nóng làm nước cóthể sôi, cần phải bố trí đường khói đi tắt không đi qua bộ hâm nước

Cách nối bộ hâm nước

Trong quá trình vận hành, phụ tải lò sẽ thường xuyên thay đổi, có những lúcphụ tải rất thấp, có thể bằng không (khi khởi động), khi đó lượng nước đi qua bộhâm nước sẽ rất nhỏ nên nước có thể sôi trong bộ hâm, điều này là không cho phépđối với bộ hâm bằng gang Trong trường hợp này cần thiết phải tách bộ hâm nưởckhỏi sự hoạt động của lò hơi, do đó việc nối bộ hâm với bao hơi sao cho có thể đảmbảo được điều kiện nay

Việc nối bộ hâm nước với bao hơi thực hiện bằng 2 cách: ngắt được ra khỏi

lò hoặc không ngắt được ra khỏi lò Kiểu ngắt được ra khỏi lò được dùng cho loại

bộ hâm nước bằng gang (kiểu không sôi) Việc đặt bộ hâm nước kiểu ngắt được rakhỏi lò chủ yếu là bảo vệ để nước không sôi trong bộ hâm khi khởi động lò hoặc lúclàm việc với phụ tải thấp Khi đó cho khói đi đường tắt không qua bộ hâm nước vànước đi tắt vào bao hơi không qua bộ hâm 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 đi tắt,khi đó cấu tạo lò sẽ phức tạp thêm Kiểu không ngắt được ra khỏi lò được dùng choloại bộ hâm nước bằng thép

Việc bộ trí các ống dẫn nước từ bộ hâm vào bao hơi cũng cần được lưu ý bốtrí phù hợp với từng loại bộ hâm Đối với bộ hâm nước kiểu sôi, nước sôi khá mạnh,

có thể tới 30%), do đó cần bố trí các ống nước vào bao hơi phía ngoài đường khói

Vì khi bố trí trong đường khói, nước tiếp tục nhận nhiệt, sôi mạnh và có thể tạothành mức nước tự do gây nguy hiểm cho ống Đối với bộ hâm nước kiểu chưa sôi,cần bố trí các ống nước vào bao hơi phía phía trong đường khói sát trần và tường lò,tạo thành các dàn ống che tường có tác dụng bảo vệ tường

1.4.2 Bộ sấy không khí

Công dụng và phân loại

Để tăng cường hiệu quả quá trình cháy, đảm bảo quá trình bốc cháy nhanh vàcháy ổn định, không khí cấp vào lò cần được sấy nóng đến một nhiệt độ nhất định.Nhiệt độ không khí nóng yêu cầu tùy thuộc vào loai nhiên liệu đốt Nhiên liệu lỏng

đã được sấy nóng bằng hơi đến khoảng 1000C và là loại nhiên liệu dễ bốc cháy, do

đó không khí nóng không cần phải có nhiệt độ cao lắm, thường khoảng 1500C Đốivới các lò hơi đốt than, không khí nóng còn có nhiệm vụ bốc ẩm trong than và sấythan do đó yêu cầu nhiệt độ khá cao, khoảng từ 2500C đến 4000C

Lò đốt than trên ghi, do ghi lò tiếp xúc trực tiếp với các hạt than đang cháy

đỏ có nhiệt độ cao, do đó không khí đi qua ghi ngoài nhiệm vụ cung cấp oxy choquá trình cháy còn có nhiệm vụ làm mát ghi lò, do đó thông thường nhiệt độ khôngkhí nóng qua ghi được chọn khoảng 1500C

Để sấy nóng không khí cấp cho lò đồng thời tận dụng nhiệt để nâng cao hiệusuất lò, người ta đặt thêm ở đường khói phần đuôi lò thiết bị sấy không khí Theo

nguyên lý truyền nhiệt, có thể phân thành hai loại bộ sấy không khí: Bộ sấy khôngkhí kiểu thu nhiệt và bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt.

a Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt

Hiện nay bộ sấy không khí thu nhiệt thường được chế tạo kiểu ống, có thể làống thép hoặc ống gang

Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt bằng ống thép thường được chế tạo thànhnhiều cụm (khối) ghép lại theo chiều cao và chiều rộng của lò để thuận lợi khi vậnchuyển và lắp đặt

Mỗi cụm của bộ sấy không khí gồm các ống thép có đường kính 25- 51mm.Các ống của bộ sấy không chịu áp lực nên có chiều dày nhỏ, thường từ 1,5-2 mm vàđược liên kết với nhau bởi mặt sàng có chiều dày 15-25mm ở đây khói đi trong ốngcòn không khí sẽ đi căt ngang phía ngoài ống Nhiều trường hợp vừa để tăng độcứng của bộ sấy đồng thời tăng số lần cắt nhau giữa khói và không khí, người ta đặtthêm một hay hai mặt sàng trung gian giữa hai mặt sàng chính

Để tránh hiện tượng lọt không khí vào đường khói qua các khe hở giữa cácmặt sàng và giữa bộ sấy với khung lò cần phải đặt các vành bù Vành bù là các látôn mỏng

Việc bố trí số cụm của bộ sấy hay số mặt sàng trung gian cần phải tính toánđảm bảo tốc độ không khí đi qua bộ sấy

Khi chọn số lần đường không khí cắt đường khói, ngoài việc đảm bảo tốc độkhông khí cần dựa vào quan hệ giữa tốc độ khói và tốc độ không khí, tức là xét tớikích thước và số lượng ống để đảm bảo tốc độ khói đi qua Khi xác định số lượngống của bộ sấy ta đã biết trước diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu H, còn tốc độkhói đã được chọn theo giới hạn mài mòn ống bởi tro bay, do đó số lượng ống vàkích đường kính ống sẽ có quan hệ với nhau nhằm đảm bảo diện tích tiết diện khói

đi qua F Diện tích tiết diện khói đi qua:

F = n m2Diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu: tb H = nπddtb l, m2

Rõ ràng khi giảm đường kính thì phải tăng số lượng ống Khi tăng số lượngống, muốn đảm bảo diện tích bề mặt nhận nhiệt thì phải giảm chiều dài ống, đồngthời muốn đảm bảo tốc độ không khí thì phải tăng số dãy ống dọc theo đườngkhông khí, khi đó sẽ làm tăng trở lực đường không khí, còn giảm chiều dài ống thì

sẽ làm giảm số lần cắt của không khí với khói

Thông thường người ta tách thành hai dòng không khí riêng biệt, không khívào và ra khỏi bộ sấy theo hai phía Khi đó lượng không khí đi qua mỗi phần chỉcòn một nửa do đó trở lực đường không khí giảm đi hai lần và cho phép tăng số lầncắt lên gấp đôi Hình1.16 trình bày cấu tạo bộ sấy không khí của lò hơi

Hình 1.16 Bộ sấy không khí kiểu thu nhiệt

1 Mặt sàng; 2 Ống thép; 3 Vách ngăn; 4 Hộp khói; 5 Hộp không khí Bộ sấy không khí kiểu ống thép có ưu điểm sau:

 Đơn giản khi chế tạo, lắp ráp

 Khói chuyển động dọc ống do đó tro ít bám trong ống, nếu bám cũng dễlàm sạch

 Ít bị lọt không khí vào trong đường khói

 Lượng tiêu hao kim loại ít

Nhược điểm của bộ sấy không khí kiểu ống thép là:

 Vì làm bằng ống thép nên chịu được nhiệt độ không cao lắm

 Không bền dưới tác dụng ăn mòn bởi khói có nhiệt độ cao và mài mònbởitro bay theo khói.

 Vì vậy bộ sấy không khí kiểu ống thép chỉ được dùng khi nhiệt độ khôngkhí nóng yêu cầu đến 4200C và đặt ở vùng khói có nhiệt độ không quá 5500C Khinhiệt không khí nóng và khói cao hơn thì phải dùng bộ sấy không khí bằng gang

Bộ sấy không khí bằng gang khắc phục được các nhược điểm trên của bộ sấykhông khí bằng thép Tuy nhiên bộ sấy không khí bằng gang có nhược điểm là nặng

nề, tốn kim loại vì ống gang chịu lực kém nên phải đúc dày hơn, mặt khác gang có

độ dẫn nhiệt độ kém nên phải làm cánh ở phía ngoài ống và răng ở trong ống đểtăng cường truyền nhiệt

Bộ sấy không khí bằng gang thường được dùng làm phần đầu vào của khôngkhí (phần có nhiệt độ thấp của bộ sấy cấp một) ở các lò đốt nhiên liệu nhiều lưuhuỳnh, hoặc làm phần đầu ra (phần có nhiệt độ cao của bộ sấy cấp hai) ở các lò đốtnhiên liệu có độ ẩm lớn, khó cháy, cần không khí nóng có nhiệt độ cao

b Bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt

Hiện nay người ta sử dụng khá phổ biến bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt cho

lò hơi đốt dầu hoặc làm bộ sấy cấp 1 cho các lò hơi đốt than có nhiều lưu huỳnh Bộphận chính của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt là một rotor quay quanh 1 trục thẳngđứng với tốc độ khoảng 2-5 vòng/phút Trên roto gắn các cánh bằng kim loại đểnhận nhiệt Khi Rotor quay, các cánh kim loại lần lượt khi thì tiếp xúc với khói, khithì tiếp xúc với không khí lạnh Đường khói và đường không khí được bố trí về haiphía cố định của bộ sấy và được ngăn cách bởi vách ngăn Khi các cánh của rotornằm ở phía khói, tiếp xúc với khói có nhiệt độ cao hơn nên sẽ bị khói đốt nóng, cònlúc quay sang phần không khí lạnh tiếp xúc với không khí có nhiệt độ thấp hơn sẽnhả nhiệt làm cho không khí nóng lên

- Ưu điểm của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt:

 Không bị ăn mòn bởi nhiệt độ thấp do ở nhiệt độ thấp nó tiếp xúc vớikhông khí không phải là môi trường ăn mòn, còn khi tiếp xúc với khói thì nhiệt độcao hơn nhiệt độ đọng sương

 Kích thước gọn gàng, tiêu hao kim loại ít

- Nhược điểm của bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt:

 Nhiệt độ không khí sẽ không cao lắm

 Do cơ cấu quay nên tuổi thọ không cao Có sự lọt khói qua đường khôngkhí tương đối lớn

 Do nhiệt độ không khí nóng không cao lắm nên loại này thường dùng cho

lò hơi đốt dầu

Bố trí bộ hâm nước và bộ sấy không khí

Cấu tạo và chức năng của bộ hâm nước và bộ sấy không khí khác hẳn nhau,nhưng chúng có liên quan mật thiết với nhau khi bố trí chúng trong đường khói Bộhâm nước và bộ sấy không khí được bố trí trên đoạn đường khói sau bộ quá nhiệt,

có thể bố trí một cấp hoặc hai cấp đặt xen kẽ Việc chọn cách bố trí một hay hai cấphoàn toàn tùy thuộc vào nhiệt độ không khí nóng yêu cầu Đối với các lò ghi, quátrình cháy nhiên liệu xẩy ra trên ghi, không khí thổi từ dưới lên qua ghi vừa cấp oxycho quá trình cháy vừa làm mát ghi Để bảo vệ ghi khỏi bị quá nóng, nhiệt độ khôngkhí nóng thường không quá 1500C Khi đó chỉ cần bố trí bộ sấy không khí một cấp

và do đó bộ hâm nước cũng một cấp Đối với lò đốt than phun, yêu cầu không khínóng có thể trên 4000C Để thu được không khí nóng có nhiệt độ cao như vậy, cầnphải đặt một phần đầu ra của bộ sấy không khí trong vùng khói có nhiệt độ cao,nghĩa là phân bộ sấy không khí thành hai cấp, khi đó bộ hâm nước có thể làm mộtcấp đặt giữa hai cấp của bộ sây Tuy nhiên như vậy thì bộ sấy không khí cấp hainằm ngay sau bộ quá nhiệt, vùng có nhiệt độ khói quá cao nên sẽ rất chóng hỏng.Bởi vậy để bảo vệ bộ sấy cấp hai, thường người ta cũng chia bộ hâm nước ra thànhhai cấp và bộ sấy cấp hai được đặt vào giữa hai cấp của bộ hâm

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN SƠ BỘ

VỀ ỐNG NHIỆT

2 Ống nhiệt

2.1 Cấu tạo

Hình 2.1 Cấu tạo ống nhiệt

Ống nhiệt được chia làm 3 phần

 Phần bốc hơi còn gọi là phần sôi: Ở đây môi chất nhận nhiệt ở bên ngoài

và làm môi chất đó sôi và bốc hơi

 Phần đoạn nhiệt (có thể có hoặc không): Trong phần này ống không traođổi nhiệt với bên ngoài Mục đích dẩn môi chất ở trạng thái khí hoặc hơi ở phần sôi

về phần ngưng

 Phần ngưng: Ở đây môi chất toả nhiệt, hơi từ phần sôi sẽ được ngưng tụthành chất lỏng và lỏng này sẻ được đưa trở lại phần sôi

2.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

Mỗi chất lỏng ở bên trong ống nhiệt tại phần sôi Ở đây chất lỏng ngưng sẻnhận nhiệt từ một nguồn cấp nhiệt nào đó ở bên ngoài của ống nhiệt (ví dụ khói lò,năng lượng bức xạ mặt trời ) Khi nhận nhiệt chất lỏng ngưng chuyển từ trạng tháilỏng sang trạng thái hơi Sau đó hơi được chuyển qua phần đoạn nhiệt rồi đượcchuyển thẳng đến phần ngưng Sự dịch chuyển này nhờ sự chênh lệch áp suất giữaphần sôi và phần ngưng

Hơi tại phần ngưng trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài thông qua váchống và nhả nhiêt cho môi trường cần làm nóng ở phía bên ngoài của ống nhiệt (ví

dụ nước,không khí,…) Hơi sau khi trao đổi nhiêt với môi trường bên ngoài ngưng

tụ thành lỏng môi chất và được đưa ngược trở lại phần sôi nhờ nhiều lực khác nhaunhư lực trọng trường, lực mao dẩn,…

Biểu diễn quá trình hoạt động của môi chất bên trong của ống nhiệt trên đồ thị T- s

Hình 2.2 Đồ thị T - s

p1 : Áp suất hơi ở phần sôi

p2 : Áp suất hơi ở phần ngưng

Trong đó:

 AB - Quá trình bốc hơi tại vùng sôi khi môi chất nhận nhiệt ở bên ngoài ở

áp suất P1

 BC - Quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngưng, ở đây do

ma sát áp suất của hơi giảm từ p1 đến p2 ( áp suất hơi trong phần ngưng )

 CD - Quá trình ngưng tụ hơi tại phần ngưng Môi chất sẻ toả nhiệt ra bênngoài tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất p2

 DA - Quả trình chất lỏng chuyển động từ phần ngưng theo bề mặt trongcủa ống nhiệt về phần sôi nhờ các lực khác nhau Tại phần sôi chất lỏng sẻ được đốtnóng lên đến nhiệt độ sôi và quá trình được lặp lại Như vậy có thể xem môi chấttrong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình

Có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách khác nhau Ở đây ống nhiệt đượcphân loại theo lực tác dụng, đẻ đưa chất lỏng ngưng quay về phần bốc hơi Ta có

các loại ông nhiệt sau: Ống nhiệt trọng trường, ống nhiêt mao dẫn, ống nhiệt ly tâm,ống nhiệt điện trường, ống nhiệt từ trường Trong đồ án này chúng tôi chỉ nghiêncứu loại ống nhiệt trọng trường bề mặt trong nhẵn.

Ống nhiệt trọng trường: Trên hình 2.1 trình bày ống nhiệt trọng trường (còn

gọi là ống xiphông nhiệt) Nguyên lý hoạt đông của ông nhiệt này nhờ lực trọngtrường, chất lỏng ngưng được đưa về phần bốc hơi Như vậy phần bốc hơi bao giờcũng được đặt thấp hơn phần ngưng Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi làống nhiệt trơn hoặc làm rảnh gọi là ống nhiệt có xẽ rãnh Bên trong ống nhiệt có thểđặt các bộ tách dòng kiểu đục lổ hoặc dao pha gọi là ống nhiệt kiểu tách dòng Tuynhiên việc xẽ rãnh hoặc đặt các bộ tách dòng rất phức tạp và khó khăn Nên tronggiới hạn có thể tôi chỉ có thể nghiên cứu loại ống nhiệt trơn

2.3 Môi chất nạp ống nhiệt

Môi chất nạp (chất lỏng vào ống) của ống nhiệt được lựa chọn trên cơ sởnhiệt độ làm việc của ống nhiệt, tính phù hợp của môi chất nạp đối với vật liệu làmống, tính chất nhiệt vật lý và hoá học của môi chất nạp vv…

2.3.1 Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt

Đ/N: Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt là nhiệt trung bình của môi chất bêntrong của ống nhiệt th và có thể coi là nhiệt độ trung bình giửa nhiệt độ bề mặt trongphần sôi tis và phần ngưng tin

th = 1/2 ( tis + tin ) ≈ 1/2 ( tes + ten ) (2 - 1)

th: Nhiệt làm việc của ống nhiệt ,[ 0C ]

tis , tin:Nhiệt tại bề mặt bên trong tương ứng với phần sôi và phần ngưng,[0C ]tes , ten: Nhiệt trung bình tại bề mặt bên ngoài tương ứng với phần sôi và phầnngưng [ 0C ]

Tuỳ theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp là những môi chất sau:

- Trong khoảng nhiệt độ thấp là các môi chất lạnh như: R12, R22, R11, NH3

- Trong khoảng nhiệt độ vừa là nước, rượu v.v…

- Trong khoảng nhiệt độ cao là kim loại lỏng như: Hg, Na, K,

Bảng 2.1 chỉ ra các môi chất nạp được sữ dụng trong ống nhiệt và khoảngnhiệt độ của nó

Cũng cần phải lưu ý đến khía cạnh chịu nhiệt của môi chất nạp, đó là khảnăng bị phân huỷ bởi môi chất nạp dưới tác dụng của nhiệt Với một số môi chấtnạp là chất hữu cơ cần phải duy trì nhiệt độ của chúng thấp hơn một nhiệt độ nào đó

để cho chất hữu cơ đó không bị phân huỷ thành thành các thành phần khác

Như vậy độ bền về nhiệt của môi chất nạp trong khoảng nhiệt độ làm việccũng được coi là tính chất cần thiết

Qua nghiên cứu ta thấy môi chất tốt nhất cho nạp vào ống nhiệt phụ thuộcvào khoảng nhiệt độ làm việc th như sau:

Bảng 2.1 Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc

Ống nhiệt nhiệt độ rất thấp (<= 200K ) He, Ni

2.3.2 Tính phù hợp

Ngoài tính chất nhiệt ta còn phải chú ý đến tác dụng tương hổ giữa môi chấtnạp và vật liệu làm ống nhiệt Tính chất này gọi là tính phù hợp của ống nhiệt Khi tachọn môi chất nạp không phù hợp với việc chọn vách ống nhiệt, có nghĩa đã tạo điềukiện cho môi chất nạp tác dụng với vách ống: Một mặt làm hỏng vách ống, mặt kháctạo ra khí không ngưng tụ tại phần ngưng của ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt

Đ/N: Tính phù hợp là khả năng môi chất nạp không tương tác với vật liệulàm ống nhiệt gọi là tính phù hợp của môi chất nạp

Quan hệ giữa môi chất và vật liệu làm ống được cho ở bảng sau:

Bảng 2.2 Tính phù hợp của môi chất nhiệt

- Được : Tương đối phù hợp

- Không được : Không phù hợp

- “ “ : Chưa xác định

2.4 Phân loại thiết bị ống nhiệt

2.4.1 Phân loại theo lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng quay trở về phần sôi

a Ống nhiệt trọng trường

Hình 2.3 Cấu tạo ống nhiệt trọng trường

Loại ống nhiệt này khi hoạt động yêu cầu phần sôi bao giờ cũng phải thấphơn phần ngưng

Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh(các rãnh này có kích thước tương đối lớn) gọi là ống nhiệt có rãnh hoặc có đặt 1 bộtách dòng (hơi và chất lỏng) gọi là ống nhiệt tách dòng Mục đích của việc làm rãnhcũng như đặt bộ tách dòng nhằm tăng cường khả năng truyền nhiệt từ vùng sôi đếnvùng ngưng tụ, đặc biệt nhằm tăng công suất tới hạn của ống nhiệt trọng trường(công suất nhiệt lớn nhất) Ta nhận thấy ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn bêntrong là loại có cấu tạo đơn giản và dễ chế tạo nhất bởi vậy có nhiều khả năng ứngdụng cho những trường hợp thông thường.

b Ống nhiệt mao dẫn

Hình 2.4 Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn

Trong ống nhiệt mao dẫn, lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi làlực mao dẫn Ống nhiệt mao dẫn có thể được đặt ngược hướng trọng trường nghĩa

là phần sôi nằm cao hơn phần ngang

Để tạo lực mao dẫn có nhiều cách:

 Làm rãnh nhỏ bên trong

 Đặt các tấm lưới kim loại sát bề mặt bên trong ống, những tấm lưới này gọi là bấc

 Hoặc là kết hợp cả 2 loại trên: vừa đặt rãnh nhỏ vừa đặt lưới

Chúng ta nhận thấy ống nhiệt mao dẫn có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệttrọng trường, tuy nhiên có những tính năng tốt hơn nhất là ống có thể làm việc ở vịtrí đặt nằm ngang hoặc phần sôi (đốt nóng) cao hơn phần ngưng (toả nhiệt) tứcngược hướng trọng trường

c Ống nhiệt ly tâm

Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động cơđiện Phương pháp cổ điển là dùng không khí thổi vào stato động cơ (thiết bị dễ

bị bụi bẩn và khó lấy nhiệt từ roto) Khi sử dụng ống nhiệt, trục động trên có rôto

sẽ lầ trục rỗng bên trong là ống nhiệt chứa nước, nước sẽ lấy nhiệt độ từ rôto vàstato truyền ra ngoài qua các cánh tản nhiệt được nhiều hơn và động cơ không bịbụi bẩn Trong các ống ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng trở về phần sôi nhờ tác dụngcủa lực ly tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó

d Ống nhiệt điện trường

Lực đưa chất lỏng ngưng trở về phần sôi là lực điện trường

e Ống nhiệt từ trường

Lực đưa chất lỏng ngưng trở về phần sôi là lực từ trường

f Ống nhiệt thẩm thấu

Lực đưa chất lỏng ngưng trở về phần sôi là lực thẩm thấu

2.4.2 Phân loại theo phạm vi nhiệt độ sử dụng

Phạm vi nhiệt độ thường sử dụng của ống nhiệt tương đối rộng từ -800Cđến 25000C Có thể chia phạm vi nhiệt độ sử dụng theo các mức độ thấp, trungbình và cao

 Ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ -800C đến 500C

 Ống nhiệt nhiệt độ vừa phải: nhiệt độ làm việc từ 500C đến 2800C

 Ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 2800C đến 4800C

 Ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc từ 4800C đến 15000C

2.4.3 Phân loại theo môi chất nạp

Căn cứ vào thành phần của môi chất trong ống, ống nhiệt được chia thành:

 Ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một môi chất như H2O, NH3, Frêon,Na,…) Phần lớn các ống nhiệt đang sử dụng đều thuộc loại này

 Ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà trộn với nhau): ốngnhiệt thuộc loại này thường được sử dụng trong những điều kiện làm việc đặc biệt

2.4.4 Phân loại theo mục đích sử dụng ống nhiệt

 Ống nhiệt tải nhiệt thực hiện quá trình truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ caođến nơi có nhiệt độ thấp hơn

 Ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ sử dụng để giữ cho nhiệt độ của môi chấ cónhiệt độ thấp hơn không đổi khi lượng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi Hoạt độngcủa loại ốn nhiệt này như là một thermostat.

 Ống nhiệt truyền nhiệt một chiều gọi là điôt nhiệt

2.4.5 Phân loại theo hình dạng ống

 Ống nhiệt hình trụ

 Ống nhiệt hình hộp

 Ống nhiệt hình dạng phức tạp

2.5 Ưu điểm của ống nhiệt

So với các phần tử truyền nhiệt, ống nhiệt có các ưu điểm sau:

 Ống nhiệt có tính siêu dẫn nhiệt Thí dụ một ống nhiệt đường kính 14mm,dài 600mm, làm bằng crom-niken chứa natri lỏng có hệ số dẫn nhiệt tương đươngbằng 106W/m.K, nghĩa là gấp 10.000 lần hệ số dẫn nhiệt của hợp kim đồng Ưuđiểm này là do quá trình truyền nhiệt bên trong ống nhiệt thực hiện bởi sự biến đổipha (sôi và ngưng), do đó quá trình truyền nhiệt lớn gấp nhiều lần so với sự dẫnnhiệt bằng thanh kim loại dù là bằng bạc

 Ống nhiệt truyền được một lượng nhiệt lớn cả ở khoảng cách khá xatrong khi hiệu nhiệt độ chỉ chênh vài độ Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đềutheo toàn bộ chiều dài ống, áp suất trong phần ngưng và phần sôi không chênhlệch nhau nhiều

 Ống nhiệt có thể truyền tải lượng nhiệt lớn mà không cần đến các thiết bịphụ như bơm, vì vậy thiết bị làm việc với độ tin cậy cao, không gây tiếng ồn

 Với thiết bị trao đổi nhiệt loại khí - khí nếu dùng ống nhiệt có thể làm cánh

ở bên ngoài ống , phần tiếp xúc với khí nóng (khói), khí lạnh (không khí) nên thiết

 Nguồn nhiệt cấp cho phần nóng của ống nhiệt rất đa dạng, có thể là sảnphẩm cháy của nhiên liệu lỏng, các khí thải, hơi nước, năng lượng mặt trời.

 Nhiệt độ từ một nguồn nóng có thể truyền tải đến nhiều bộ dùng nhiệt ởnhững khoảng cách khác nhau khá xa mà cần hiệu nhiệt độ khá nhỏ

2.6 Ứng dụng của ống nhiệt

Ống nhiệt tuy đã được tìm ra từ lâu nhưng gần đây người ta mới thấy đượchết những ưu điểm của nó và việc nghiên cứu lý thuyết cũng như ứng dụng của ốngnhiệt ngày càng được triển khai mạnh tại nhiều nước trên thế giới Dưới đây chúng

ta nêu lên một số ứng dụng của ống nhiệt:

 Đã từ lâu do ưu điểm của ống nhiệt là nhiệt độ bề mặt phần toả nhiệt (phầnngưng của ống) đồng đều và ít thay đổi, nên ống nhiệt trọng trường với môi chấtnạp là nước đặt nghiêng (góc nghiêng so với phương nằm ngang khoảng 50) đượcứng dụng để làm các lò nướng bánh dùng than, dầu khí…

 Các ống nhiệt trọng trường có cánh bên ngoài đã được ứng dụng rất có hiệuquả để tận dụng nhiệt thải (khói) từ các nhà máy nhất là trong công nghiệp hoá chất,bởi vì thiết bị gọn, hoạt động lâu bền, có độ tin cậy cao Ví dụ, hãng Furakawa củaNhật Bản đã sủ dụng 1700 ống nhiệt trọng trường với môi chất nạp là H2O, mỗi ốngdài 8,5 m, bên ngoài ống phủ 1 lớp chỉ để chống hiện tượng ăn mòn của SO2 Kếtquả đã tận dụng được 2,1 triệu lcal/h của 250.103 m3 khí thải của các nhà máy hoáchất chứa SO2 ở nhiệt độ khói thải 1600C

 Ống nhiệt mao dẫn dạng hình hộp được ứng dụng có hiệu quả để làm mátcác linh kiện điện tử có công suất lớn, thay cho phương pháp cổ điển là dẫn nhiệtqua thanh nhôm Ở đây nhiệt từ các linh kiện điện tử truyền cho môi chất cho ốngnhiệt rồi toả ra ngoài qua các cánh toả nhiệt gắn ở phần đuôi của ống nhiệt

Hình 2.5 Ống nhiệt sử dụng cho thiết bị điện tử