Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt nhằm thu hồi nhiệt thải của lò dầu truyền nhiệt. Kết quả thử nghiệm cho thấy, thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 CHẾ TẠO THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG NHIỆT NHẰM THU HỒI NHIỆT THẢI MANUFACTURING HEAT PIPE HEAT EXCHANGER FOR WASTE HEAT RECOVERY Bùi Mạnh Tú1,*, Đặng Văn Bính2 TĨM TẮT Vấn đề thu hồi nhiệt thải từ lò hơi, nhà máy quan tâm Việc tận dụng nhiệt thải mang lại hiệu lượng lớn góp phần giảm thiểu đáng kể việc sử dụng nguồn điện sẵn có nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển cơng nghiệp hóa, đại hóa bảo vệ mơi trường Bài báo trình bày kết nghiên cứu, chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt nhằm thu hồi nhiệt thải lò dầu truyền nhiệt Kết thử nghiệm cho thấy, thiết bị hoạt động ổn định hiệu Từ khóa: Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt, thu hòi nhiệt thải, hiệu lượng nhiệt thải Cơ chế để thu hồi nhiệt thải phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn khí thải tiêu kinh tế Khi xem xét tiềm thu hồi nhiệt thải cần phân tích, đánh giá chất lượng tiềm sử dụng chúng (bảng 1) Bảng Nguồn nhiệt thải khả thu hồi nhiệt TT Nguồn nhiệt thải Khả thu hồi nhiệt tiềm sử dụng nguồn nhiệt thu hồi Nhiệt khói lị ABSTRACT Recovering waste heat from boilers and factories is being concerned Utilizing waste heat bring hight energy efficiency and also significantly reduce the use of available electricity to meet the needs of industrialization, modernization as well as environmental protection This paper presents the results, manufacturing of heat pipe heat exchanger for waste heat recovery from heat transfer oil furnaces Test results show that the device works stably and effectively Keywords: Heat pipe heat exchanger, waste heat recovery, energy efficiency Nhiệt dòng (hơi từ cửa trích tuabin, khỏi tuabin…) Nhiệt độ cao, khả thu hồi nhiệt lớn Nhiệt độ cao, khả thu hồi nhiệt lớn, thêm vào ngưng tụ lại thu hồi nhiệt ẩn Nhiệt xạ đối lưu thất thoát toả nhiệt từ bề mặt thiết bị Khả thu hồi nhiệt khơng nhiều, thu hồi dùng để sưởi khơng khí phục vụ sinh hoạt gia nhiệt sơ khơng khí sử dụng cơng nghiệp Thất thoát nhiệt nước làm mát Khả thu hồi nhiệt không cao Nhiệt sản phẩm khỏi quy trình Khả thu hồi nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ sản phẩm khỏi quy trình Nhiệt chất thải dạng khí dạng lỏng khỏi quy trình Khả thu hồi nhiệt kém, bị ô nhiễm nặng cần có thiết bị trao đổi nhiệt hợp kim Trường Đại học Điện lực Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: tubm@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 08/9/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/11/2020 Ngày chấp nhận đăng: 23/12/2020 GIỚI THIỆU Nhiệt thải nhiệt phát sinh trình đốt cháy nhiên liệu phản ứng hố học thải ngồi mơi trường Hoạt động lị hơi, lị dầu truyền nhiệt, lò nung lò nhiệt luyện… thường phát sinh lượng lớn khí thải nhiệt độ cao, mang theo lượng lượng lớn Lượng nhiệt thải thu hồi sử dụng cho mục đích tiết kiệm lượng Trên thực tế, khơng thể thu hồi tồn thu hồi phần lớn lượng khí thải từ nguồn nhiệt thải Trong vấn đề thu hồi lượng từ nguồn nhiệt thải, yếu tố cần quan tâm chất lượng nguồn Các thiết bị thu hồi nhiệt thải sử dụng như: Thiết bị thu hồi nhiệt; Tuabin nhiệt; Máy thu phát nhiệt; Thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp; Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống; Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm; Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn vòng; Nồi thu hồi nhiệt thải; Bơm nhiệt; Máy nén nhiệt Ống nhiệt Căn vào mục đích thu hồi nhiệt, điều kiện thực tế, lựa chọn phương pháp, thiết bị thu hồi phù hợp Hiện nay, Việt Nam vấn đề thu hồi nhiệt thải từ lò hơi, nhà máy quan tâm Việc tận dụng nhiệt thải mang lại hiệu lượng lớn góp phần giảm thiểu đáng kể việc sử dụng nguồn điện sẵn có nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước bảo vệ môi trường Một số nhà khoa học, viện nghiên cứu, công ty tiến hành nghiên cứu, chế tạo thiết bị thu hồi nhiệt thải như: Nghiên cứu chế tạo 88 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thử nghiệm máy lạnh thu hồi nhiệt để cung cấp đồng thời nhiệt - lạnh nhóm tác giả Nguyễn Công Vinh, Hồ Trần Anh Ngọc [1]; Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để sấy bánh tráng Mã Phước Hoàng [2]; Nghiên cứu, thiết kế chế tạo sấy khơng khí hồi nhiệt kiểu quay lò đốt than Nhà máy nhiệt điện Phan Hữu Thắng [3]; Trong báo này, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu, chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt có cánh nhằm thu hồi nhiệt thải lò dầu truyền nhiệt THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt hay dùng để tận dụng nhiệt thải (tận dụng khói thải từ lị hơi, tận dụng nhiệt lạnh khơng khí phịng điều hịa thải ngồi, ) Phần lớn thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt sử dụng ống nhiệt trọng trường ống nhiệt trọng trường có khả tải nhiệt lớn dễ chế tạo Xác định thông số ban đầu: - Nhiệt độ mơi chất có nhiệt độ cao vào, - Lưu lượng mơi chất có nhiệt độ cao - Nhiệt độ mơi chất có nhiệt độ thấp vào - Lưu lượng mơi chất có nhiệt độ thấp Chọn kích thước thơng số ban đầu ống nhiệt: - Vật liệu, kích thước, bước ống - Vật liệu, kích thước, bước cánh - Chiều dài sơ phần sơi, phần ngưng Tính tốn cơng suất ống nhiệt: - Tính tổng nhiệt trở ống nhiệt - Tính cơng suất nhiệt tồn ống nhiệt Hình Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt (hình 1) kiểu thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, có kích thước gọn có ưu điểm sau: khơng có phận chuyển động, khơng cần lượng bổ sung, độ tin cậy cao; hai dịng mơi chất nóng, lạnh tách biệt vách ngăn nên khơng bị rị lọt hai mơi chất vào nhau; vài ống nhiệt bị hỏng, thiết bị hoạt động bình thường ảnh hưởng đến việc truyền tải nhiệt Việc tính tốn, thiết kế ống nhiệt nói chung thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt nói riêng trình bày chi tiết tài liệu tham khảo [4-10] Các bước tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt hình TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG NHIỆT NHẰM THU HỒI NHIỆT THẢI CỦA LÒ DẦU TRUYỀN NHIỆT Các thông số ban đầu thiết bị sau: - Nhiệt độ mơi chất có nhiệt độ cao vào (khói): t1’ = 3500C - Nhiệt độ mơi chất có nhiệt độ cao ra: t1” = 2500C - Lưu lượng môi chất có nhiệt độ cao (khói): V1 = 0,6m3/s - Nhiệt độ mơi chất có nhiệt độ thấp vào (khơng khí): t2’ = 300C - Lưu lượng mơi chất có nhiệt độ thấp (khơng khí): V2 = 0,6m3/s Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Tính kiểm tra cơng suất nhiệt ống nhiệt: - Tính kiểm tra giới hạn ống nhiệt: giới hạn âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi - Tính kiểm tra chiều dài phàn ngưng, phần sơi ống nhiệt - Lựa chọn, tính tốn lượng mơi chất nạp vào ống nhiệt Xây dựng sơ đồ nguyên lý thiết bị Tính tổng số lượng ống nhiệt, kích thước thiết bị Tính tốn cách nhiệt thiết bị Hình Các bước tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn bên trong, mơi chất nạp khơng khí Ta chọn kích thước thơng số ống nhiệt sau: + Vật liệu chế tạo ống nhiệt: Inox 304 + Đường kính ngồi ống: de = 27mm + Đường kính ống: di = 21mm Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 89 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ + Chiều dài phần sơi: Ls =1000mm + Chiều dài phần ngưng: Ln = 1000mm + Vật liệu chế tạo cánh: Inox 304 + Khoảng cách cánh, z = 9mm + Chiều dày cánh, δz = 1mm + Đường kính cánh, dz = 40mm + Bước ống, S = 70mm Nhóm tác giả tiến hành tính tốn cơng suất thu kết sau: - Tổng nhiệt trở R: R = 0,35530K/W - Cơng suất nhiệt tồn ống nhiệt: Qa = 599,5W Để kiểm tra hoạt động ống nhiệt trọng trường phải tính kiểm tra cơng suất giới hạn (giới hạn âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn) ống nhiệt Trong giới hạn này, ống nhiệt trọng trường giới hạn lôi nhỏ nhất, ta cần so sánh cơng suất nhiệt tồn ống nhiệt với giới hạn lơi Qua trính tốn có giới hạn lôi Qc.max = 9,244kW, ta thấy Qa < Qc.max, ống nhiệt hoạt động an toàn Đồng thời tính tốn kiểm tra cho thấy, chiều dài phần sôi Ls =1000 (mm), phần ngưng Ln =1000 (mm) lựa chọn ban đầu hợp lý Môi chất nạp cho ống nhiệt khơng khí, lựa chọn lượng nạp 50% thể tích phần sơi ống nhiệt, lượng môi chất nạp cho ống nhiệt Vl = 173,1ml Xây dựng sơ đồ ngun lý mơ hình thiết bị, khói bố trí chuyển động cắt ngang ngang ống nhiệt lần (2 pass) hình Hình Sơ đồ ngun lý mơ hình thiết bị - Ống nhiệt; - Vách ngăn t1’ - Nhiệt độ khói vào thiết bị t1” - Nhiệt độ khói khỏi thiết bị t2’ - Nhiệt độ khơng khí vào thiết bị t2” - Nhiệt độ khơng khí khỏi thiết bị Trên sở, thông số đầu vào ta xác định lượng nhiệt trao đổi thiết bị Q = 161kW Do đó, số lượng ống nhiệt cần thiết thiết bị n = 161/0,5995 = 268,5 ống Ta chọn hệ số an tồn cơng suất thiết bị 1,05 tổng số lượng ống nhiệt thiết bị tận dụng nhiệt thải sử dụng ống nhiệt trọng trường 282 ống Theo cách bố trí, kích thước thiết bị ta chọn tổng số lượng ống nhiệt 285 ống trí so le thành 19 hàng, P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 hàng có 15 ống Như vậy, ta có tổng thể kích thước thiết bị thu hồi nhiệt tải ống nhiệt trọng trường chưa tính cách nhiệt 1500x2000x1100mm (rộng x cao x sâu) Sau tính tốn xong kích thước thiết bị, ta tiến hành tính tốn cách nhiệt cho thiết bị Vỏ thiết bị chế tạo thép C30, có chiều dày 6mm, lớp cách nhiệt sử dụng bơng thủy tinh Tính tốn với toán truyền nhiệt qua vách phẳng, thống số có ta xác định chiều dày lớp bơng thủy tinh 74mm CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM Nhóm tác giả tiến hành chế tạo thiết bị thu hồi nhiệt với vật liệu, kích thước, thơng số tính tốn phần (hình 4) Hình Kích thước thiết bị thu hồi nhiệt Sau đó, nhóm tác giả lắp đặt đo thông số thực tế làm việc thiết bị Kết thu thể hình Hình Kết thử nghiệm thực tế thiết bị thu hồi nhiệt Từ hình cho thấy, độ chênh lêch nhiệt độ khói vào ra, khơng khí vào khơng ổn định Có thể giải thích vấn đề q trình trao đổi khói khơng khí có phần bị tổn thất nhiệt mơi trường xung quanh thơng số thực tế khói khơng khí thời điểm đo khơng giống KẾT LUẬN Trong báo này, nhóm tác giả nghiên cứu, tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt trọng trường nhằm 90 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thu hồi, tận dụng nhiệt thải Một thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt gồm 285 ống có cánh trí so le thành 19 hàng, hàng có 15 ống, có chiều dài phần ngưng tụ phần sôi 1m, sử dụng môi chất không khí chế tạo thành cơng Nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm hoạt động thiết bị tận dụng nhiệt từ khói thải lị dầu truyền nhiệt cho thấy thiết bị hoạt động ổn định, hiệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Công Vinh, Hồ Trần Anh Ngọc, 2019 Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy lạnh thu hồi nhiệt để cung cấp đồng thời nhiệt - lạnh Tạp chí Khoa học công nghệ Đại học Đà Nẵng, vol 17, no 1.2, 2019, 70-74 [2] Mã Phước Hoàng, 2015 Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để sấy bánh tráng Tạp chí Khoa học cơng nghệ Đại học Đà Nẵng số 01(86) [3] Phan Hữu Thắng, 2016 Nghiên cứu, thiết kế chế tạo sấy không khí hồi nhiệt kiểu quay lị đốt than Nhà máy nhiệt điện Đề tài thược Chương trình “Nghiên cứu ứng dụng phát triển khí tự động hóa” - KC03/11-15, mã số 12729-2016 [4] Bùi Hải, Trần Văn Vang, 2008 Ống nhiệt ứng dụng ống nhiệt NXB Bách khoa [5] Faghri, A., 1995 Heat pipe science and technology Taylor & Francis, Washington [6] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư, 2001 Thiết bị trao đổi nhiệt NXB Khoa học Kỹ thuật [7] Bùi Hải, 2002 Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt NXB Giao thông vận tải [8] P D Dunn, D A Reay, 1994 Heat pipes Pergramon [9] G P Peterson, 1994 An introduction to heat pipes John Willey-sons, Inc [10] Andrews, A Akabarzadeh, 1997 Heat pipes Technology Pergramon AUTHORS INFORMATION Bui Manh Tu1, Dang Van Binh2 Electric Power University Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 91 ... cánh nhằm thu hồi nhiệt thải lò dầu truyền nhiệt THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt hay dùng để tận dụng nhiệt thải (tận dụng khói thải từ lị hơi, tận dụng nhiệt. .. nhiệt ống nhiệt nói riêng trình bày chi tiết tài liệu tham khảo [4-10] Các bước tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt hình TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG NHIỆT NHẰM THU HỒI NHIỆT... ống nhiệt Xây dựng sơ đồ nguyên lý thiết bị Tính tổng số lượng ống nhiệt, kích thước thiết bị Tính tốn cách nhiệt thiết bị Hình Các bước tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt Ống