TBTDN-13

1 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt 1.1 Định nghĩa Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị dùng để thực trao đổi nhiệt chất mang nhiệt Những chất mang nhiệt ngăn cách với nhằm ngăn cản pha trộn tiếp xúc trực tiếp chất mang nhiệt 1.2 Ứng dụng Thiết bị sưởi ấm khơng gian, máy lạnh, điều hồ khơng khí, nhà máy sản xuất lượng, nhà máy hoá chất, nhà máy hoá dầu, nhà máy lọc dầu, khu chế tạo khí tự nhiên, hay khu chế biến xử lý nước thải 1.3 Phân loại 1.3.1 Phân loại theo chiều chuyển động môi chất - Loại chiều: môi chất vào khỏi thiết bị phía - Loại ngược chiều: mơi chất vào khỏi thiết bị khác phía, bên thiết bị môi chất chuyển động ngược chiều - Loại cắt nhau: môi chất chuyển động cắt ngang môi chất gián tiếp qua vách rắn ngăn cách - Loại hỗn hợp: có phần thiết bị mơi chất chuyển động chiều, có phần thiết bị môi chất chuyển động ngược chiều 1.3.2 Phân loại theo cơng dụng thiết bị - Bình ngưng (dàn ngưng) - Bình bốc (dàn bốc hơi) - Thiết bị cô đặc - Thiết bị tinh cất, Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện 1.3.3 Phân loại theo hoạt động cùa môi chất - Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động liên tục: bình ngưng, thiết bị đốt nóng khơng khí khói, bình bốc hơi, … - Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo chu kỳ: tháp sấy khơng khí lị cao, thiết bị đun nóng nước - tích nhiệt chu kỳ, sấy khơng khí hồi nhiệt nhà máy nhiệt điện, 1.3.4 Phân loại theo nguyên lí làm việc thiết bị 1.3.4.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách, ngăn hoạt động liên tục Ở dịng mơi chất nóng truyền nhiệt liên tục cho dịng mơi chất lạnh qua bề mặt vách ngăn Hình 1a: Bề mặt vách ngăn Tùy theo hình dạng vách ngăn mà ta có thiết bị kiểu tấm, thiết bị kiểu ống với bề mặt ngăn cách truyền nhiệt vách hay ống Hình 1b: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng Ví dụ: bình ngưng, bình bốc hơi, q nhiệt, sấy khơng khí, calorife Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Khoa Điện thiết bị sấy, dàn bốc thiết bị cô đặc, chưng cất… 1.3.4.2 Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn, hoạt động theo chu kì Ở dịng mơi chất nóng truyền nhiệt cho môi chất lạnh không chuyển động qua vách ngăn (các ống), khơng liên tục mà theo chu kì Nhiệt trao đổi hai môi chất giảm dần theo thời gian Ví dụ: bình đun nóng nước - tích nhiệt… Hình 2: Thiết bị trao đổi nhiật vách ngăn hoạt động theo chu kỳ (bình đốt nóng nưốc tích nhiệt) 1.3.4.3 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hồi nhiệt Ở nhiệt từ dịng mơi chất nóng truyền cho dịng mơi chất lạnh qua vật thu nhiệt Giai đoạn đầu dòng mơi chất nóng nhả nhiệt đốt nóng vật thu nhiệt, giai đoạn sau vật thu nhiệt nhả nhiệt cho dòng môi chất lạnh Tùy theo chuyển động vật thu nhiệt ta có: Thiết bị hồi nhiệt hoạt động theo chu kì (tháp sấy gió nóng lị cao), vật thu nhiệt không chuyển động; vật thực chuyển động ta có thiết bị hồi nhiệt hoạt động liên tục Hình 3: Thiết bị trao đổi nhiột hối nhiệt, hoạt động theo chu kỳ (tháp sấy gió Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Khoa Điện nóng lị cao: 1- vật tích nhiệt, 2- chắn dổi dịng); Ví dụ: Bộ sấy khơng khí hồi nhiệt nhà máy nhiệt điện… 1.3.4.4 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt Ở dịng mơi chất nóng tỏa nhiệt đốt nóng mơi chất lạnh ống sau chất lỏng nhả nhiệt cho môi chất lạnh Nếu chất lỏng ống khơng có chuyển pha, thiết bị gọi xiphơng nhiệt; chất lỏng ống có chuyển pha (sôi ngưng), thiết bị gọi ống nhiệt 1.3.4.5 Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp Ở dịng mơi chất nóng lạnh tiếp xúc trực tiếp với truyền nhiệt cho khơng qua bề mặt vách ngăn Hình 6: Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp 1.Bè nước; Xả tràn; 3,7 Tấm chắn nước; Cọc phun; Vòi phun; Ống góp; Van; Phin 10 Nước bổ sung; 11 Van chiếu; 12 Nước lạnh; 13 Van xà càn; Ví dụ: Buồng điều hịa khơng khí (điều chỉnh nhiệt độ độ ẩm khơng khí) hệ thống điều hịa nhiệt độ trung tâm Khi khơng khí thổi qua giọt nước lạnh phun từ vịi phun, khơng khí nhả nhiệt cho nước Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện làm lạnh Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện 1.4 Yêu cầu thiết bị trao đổi nhiệt 1.4.1 u cầu Hệ số truyền nhiệt có giá trị lớn tốt với lượng nhiệt cần trao đổi, hệ số truyền nhiệt lớn thiết bị có diện tích nhỏ Trở kháng thủy lực dịng mơi chất nóng lạnh nhỏ tốt Bởi trở kháng thủy lực nhỏ, công suất bơm quạt cần cho chuyển động mơi chất nhỏ (ít tiêu tốn lượng) Bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị phải để bị bám bẩn, dễ dàng làm dễ dàng sửa chữa Bảo đảm ngăn cách dịng mơi chất nóng lạnh tốt để tránh trường hợp hai dịng mơi chất bị hịa trộn vào Thiết bị phải đảm bảo an toàn vận hành, có tuổi thọ cao, có kết cấu đơn giản để dễ dàng lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng 1.4.2 Chọn đường chuyển động cho dịng mơi chất 1.4.2.1 Chất bên ống, chất bên ống Do đặc điểm cấu tạo thường tiết diện cắt ngang đường chuyển động môi chất ống nhỏ mơi chất ngồi ống, nên để mơi chất có lưu lượng thể tích nhỏ ống cịn mơi chất có lưu lượng thể tích lớn bên ống Chất dễ gây nhiều bẩn cho bề mặt ống nên để ống làm bề mặt ống dễ Chất gây ăn mòn bề mặt nhiều nên để ống, ống dễ chế tạo giá thành nhỏ vỏ thiết bị Chất có áp suất lớn nên để ống, tránh phải tăng chiều Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện dày vỏ thiết bị, vỏ dày khó chế tạo giá thành cao Với thiết bị trao đổi nhiệt nhằm mục đích đốt nóng mơi chất đó, nên để mơi chất có nhiệt độ cao ống (để giảm tổn thất nhiệt môi trường) 1.4.2.2 Chất bên ngồi ơng chuyển động dọc ống hay cắt ngang Khi < 61nên để dòng chảy dọc ống Khi > 61nên để dòng chảy cắt ngang ống Riêng chất khí Re nằm khoảng 4.10 đến 4.104 nên để dòng cắt ngang ống 1.4.2.3 Tốc độ chuyển động dịng mơi chất Khi tốc độ dịng mơi chất tăng làm tăng hệ số tỏa nhiệt đối lưu hệ số truyền nhiệt Tốc độ tăng dẫn đến trở kháng thủy lực tăng công suất tiêu hao bơm quạt tăng theo Môi chất Chất lỏng nhớt Tốc độ ω (m/s) ≤1 Chất lỏng nhớt nước 1÷3 Khí có nhiều bụi 6÷10 Khí 12÷16 Hơi bão hịa 30÷50 Hơi hóa nhiệt 50÷75 Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Khoa Điện 1.4.3 Hệ số lượng thông số kết cấu 1.4.3.1 Hệ số lượng Hệ số lượng Eo lượng nhiệt truyền qua m2 diện tích bề mặt thiết bị giây với độ chênh lệch nhiệt độ môi chất ∆= oC lượng tiêu hao ứng với m2 diện tích bề mặt: đây: k - hệ số truyền nhiệt thiết bị, W/m2oK , - lượng tiêu hao ứng với 1m2 bề mặt, W/m2 Trong đó: đây: , - cơng suất bơm quạt cho dịng mơi chất nóng lạnh, W , - trở kháng thủy lực dịng mơi chất nóng lạnh, N/ , - lưu lượng thể tích dịng mơi chất nóng lạnh, /s , - diện tích bề mặt phía dịng mơi chất nóng lạnh, Thiết bị trao đổi nhiệt có hệ số lượng E lớn tốt, lượng nhiệt truyền nhiều lượng tiêu hao Khi cần so sánh đánh giá qua bề mặt, ta có: đây: α – hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/ N – công suất bơm quạt dùng cho môi chất, W Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, Vậy bề mặt truyền nhiệt đối lưu có hệ số lượng E0 lớn tốt 1.4.3.2 Thông số kết cấu Bao gồm: Độ gọn, suất tiêu hao kim loại, giá thành, điều kiện sản xuất, lắp ráp vận hành Độ gọn: Độ gọn kí hiệu g, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F () ứng với đơn vị thể tích V (m3) thiết bị Ta có: Thiết bị trao đổi nhiệt có độ gọn lớn tốt, diện tích trao đổi nhiệt thiết bị lớn chiếm khơng gian VD: Với thiết bị kiểu ống, độ gọn g = 40 – 150 với thiết bị ống có cánh độ gọn lại lên tới vài trăm Suất tiêu hao kim loại: khối lượng G thiết bị ứng với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết bị Thiết bị có suất tiêu hao kim loại nhỏ tốt 1.5 Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt 1.5.1 Hiệu suất tổn thất nhiệt Định nghĩa: Là đại lượng tính đến hiệu sử dụng nhiệt mặt tổn thất nhiệt từ thiết bị môi trường xung quanh Để nâng cao hiệu suất tổn thất nhiệt nghĩa giảm tổn thất nhiệt trường hợp cần thiết ta phải bọc cách nhiệt VD: bọc cách nhiệt dung dịch bốc làm lạnh nước dung dịch muối, bình trung gian … Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Kí hiệu: - Với thiết bị nhằm mục đính đốt nóng mơi chất đó, ví dụ đốt nóng khơng khí khói … Ta có: Q2 nhiệt mơi chất cần đốt nóng (khơng khí) nhận Q1 nhiệt mơi chất nóng (khói) tỏa Qt nhiệt từ thiết bị tỏa môi trường ωt tổn thất nhiệt tương đối môi trường - Với thiết bị làm lạnh mơi chất đó, ví dụ bình bốc làm lạnh nước dung dịch muối … Ta có: nhiệt mơi chất cần làm lạnh (dung dịch muối …) tỏa nhiệt môi chất làm lạnh (amoniac, freon…) nhận nhiệt môi trường truyền cho môi chất lạnh môi chất cần làm lạnh truyền qua vỏ thiết bị tổn thất nhiệt tương đối môi trường 1.5.2 Hiệu suất execgi Kí hiệu: đại lượng kể đến hiệu sử dụng execgi thiết bị Tùy theo mục đính sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt mà ta có định nghĩa sau: - Đối với thiết bị trao đổi nhiệt nhằm mục đích đốt nóng mơi chất (calorife, sấy khơng khí ) có nhiệt độ mơi chất lớn nhiệt độ mơi trường xung quanh ta có: đây: Đại Học Công Nghiệp Hà Nội - Khoa Điện Thường hai hàn ghép với thành panel Môi chất chuyển động bên trong, nước chuyển động khoảng hở panel lắp đặt  Nguyên lí làm việc: Với cấu tạo nhiều kim loại mỏng làm kín gioăng cao su (hoặc hàn kín mối hàn hợp kim) giúp ngăn hai dịng lưu chất nóng lạnh Hai dịng lưu chất nóng lạnh chảy xen kẽ với tấm, dập rãnh để tạo nên dòng chảy rối cho hai lưu chất nhằm đạt suất trao đổi nhiệt lớn  Ưu điểm: - Hệ số trao đổi nhiệt lớn (nước – nước đạt 3000 ~ 6000 kcal/m2.hr.C) - Nhỏ gọn; – Dễ bảo dưỡng; – Giá thành thấp - Có thể thay đổi nhiệt lượng trao đổi (bằng cách thay đổi số lượng trao đổi nhiệt) - Vệ sinh dễ dàng cách tháo khung  Nhược điểm: - Khó sửa chữa bị hỏng, phải thay - Khả rò rỉ đường nước lớn số đệm kín nhiều - Về phía mơi chất lạnh khả rò rỉ cao ăn mòn mối hàn ghép bong hở - Do phải nhập từ hãng nước nên giá thành đắt - Chất lượng nước giải nhiệt phải tốt  Ứng dụng: Được sử dụng nơi không gian lắp đặt nhỏ, chế độ vệ sinh nhà máy cao Hiện sử dụng nhiều nhà máy chế biến thủy sản, nhà máy bia, Hệ thống điều hịa khơng khí (HVAC), Cơng nghiệp sắt thép, Cơng nghiệp hóa chất, Cơng nghiệp tàu biển, Dàn bay 22 Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện ngưng tụ 1.6.1.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dùng cho lị cơng nghiệp -Thiết bị gang bề mặt có gai kim  Cấu tạo: Gồm ống gang có tiết diện hình ovan có gai kim mặt mặt (hoặc mặt trong) Khơng khí bên ống cịn khí lị bên ngồi ống  Ngun lí làm việc: Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt có gai kim có hiệu suất nhiệt cao so với thiết bị kiểu khác, gai kim khơng làm tăng bề mặt đốt nóng mà cịn có tác dụng xáo trộn dịng chảy khí dẫn tới làm tăng hệ số truyền nhiệt  Ưu điểm: Sử dụng hiệu lị nhỏ có nhiệt độ khói thải khoảng 700 -> 1100 độ C  Nhược điểm: Khó tạo độ kín khí tốt có nhiều mặt bích nối ống đặc biệt số lượng ống buồng thiết bị tăng lên  Ứng dụng: Sử dụng lò nhiệt luyện, lò rèn, lò bán liên tục lò liên tục cỡ vừa Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ông thép nhẵn:  Cấu tạo: Thiết bị đặt vào kênh dẫn khói thẳng đứng gia cố bệ đỡ làm thép chữ U Các hộp gió phía trước (đường dẫn khơng khí vào đường dẫn khơng khí ra) hàn chặt với bệ đỡ , cịn hộp gió phía sau nằm tự bệ đỡ, ống bị dãn nở nhiệt chúng dịch chuyển tương đối so với bệ đỡ mặt ngang Người ta sử dụng sợi amiang để quấn đệm tạo độ kín khí cần thiết hộp dịch chuyển bệ đỡ Trong thiết bị trao đổi nhiệt người ta sử dung ống không dài 0,8 -> 0,9m để tránh 23 Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện cho ống khỏi bị cong vênh  Nguyên lí làm việc: Khí lị chuyển động qua thiết bị trao đổi nhiệt từ xuống không thay đổi hướng chuyển động Các ống thiết bị gắn chặt với lắp ống phía lắp ống phía dưới.Ở vùng nóng thiết bị gần lắp ống phía trên, người ta làm thêm đường ống dẫn khơng khí lạnh vào để tránh cho ống bị nhiệt  Ưu điểm: Khả tự bù trừ giãn nở nhiệt ống Hiệu sử dụng bề mặt nung nóng thiết bị tốt dịng khí lị chuyển động vng góc với ống  Nhược điểm: Tất ống nhẵn vịng có chiều dài khác theo hướng chuyển động khí lị, ống vịng bên ngồi dài gấp lần so với ống bên trong, tạo trở lực khí động khác ống vòng gây nên phân bố khơng đồng khơng khí ống Hàng ống phía dịng khí lị vào thiết bị chóng bị hỏng  Ứng dụng: Sử dụng lò luyện kim cỡ vừa lớn 1.6.2 Thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo chu kì 1.6.2.1 Thiết bị đốt nóng theo chu kì  Cấu tạo: Là bình tích lớn nằm ngang chứa đầy nước cần đốt nóng bên bình ống nhỏ khơng cánh đặt nằm ngang (đây bề mặt truyền nhiệt thiết bị) 24