C. Các lợi ích bổ sung
c) Thiết bị thu hồi kiểu ngược dòng
Cả hai dòng khí ở các hướng ngược nhau
Thiết bị thu hồi nhiệt kết hợp bức xạ/đối lưu
Để hiệu suất truyền nhiệt đạt mức tối đa, người ta sử dụng thiết bị thu hồi nhiệt kết hợp kiểu thiết kế bức xạ và đối lưu trong đó thiết bị thu hồi bức xạ nhiệt độ cao luôn được xếp trước (xem hình M.22). Những thiết bị kiểu này đắt tiền hơn so với kiểu bức xạ kim loại đơn giản nhưng nhỏ gọn hơn
Hình M.22 Thiết bị thu hồi nhiệt kết hợp bức xạ/đối lưu
Chất lỏng nguội đi vào Khí thải nóng đi vào Khí thải nguội đi ra Chất lỏng nóng đi ra Chất lỏng nguội đi vào Khí thải nguội đi ra Chất lỏng nóng đi ra Khí thải nóng đi vào Khí thải nóng đi vào Chất lỏng nóng đi ra Khí thải nguội đi ra Chất lỏng nguội đi vào Khí thải nguội Không khí nóng đi tới quiá trình Không khí nguội đi vào Vù ng b ứ c x ạ Vù ng đố i l ư u
Bảng M.23 tổng hợp những ứng dụng và ưu điểm của các loại thiết bị thu hồi khác nhau.
Bảng M.23: Nhiệt độ hoạt động của lò
Hiệu suất năng lượng Ứng dụng Ưu điểm
Thiết bị thu hồi kiểu bức xạ
(30% hiệu suất) Công nghiống khói và ệp thép (lò nung, bình ngâm, ống hơi) đầCó thy bểụ xi bửẩ lý nhn ững khí chứa Hệ thống thu hồi đối lưu (50–60% hiệu suất) Các ứng dụng nhiệt độ thấp (thức ăn, vải dệt, rượu bia, giấy và bột giấy) Những thiết kế cải tiến (Mỏđốt tự thu hồi, đạt tới (70% hiệu suất) Các ứng dụng nhiệt độ cao (
khói xả từ lò, lò nung thủy tinh và xử lý kim loại...)
Thiết bị hoàn nhiệt
Trong thiết bị hoàn nhiệt (xem Hình M.23), khí thải và không khí cần gia nhiệt được lần lượt đưa qua một môi trường lưu nhiệt, dẫn tới hiện tượng truyền nhiệt. Thời gian dài của các lần đảo chiều sẽ làm giảm nhiệt độ gia nhiệt sơ bộ trung bình và do đó giảm mức độ tiết kiệm nhiên liệu.
Hình M.23 Thiết bị hoàn nhiệt
Thiết bị tiết kiệm nhiệt
Trong hệ thống lò hơi, có thể sử dụng thiết bị tiết kiệm nhiệt (xem Hình M.24) tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt sơ bộ nước cấp. Trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ không khí, nhiệt thải được sử dụng để gia nhiệt cho không khí dùng cho buồng đốt. Trong cả hai trường hợp này, lượng nhiên liệu cần cho lò hơi sẽ giảm đi. Buồng hoàn nhiệt không khí Buồng hoàn nhiệt khí thải Khí thải Không khí Ống khói
Hình M.24 Thiết bị tiết kiệm nhiệt
M1.7.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Chi phí cho bề mặt trao đổi nhiệt là một yếu tố quan trọng về mặt chi phí khi sự chênh lệch về nhiệt độ không lớn. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (xem Hình M.25), bao gồm một dãy các tấm đặt song song tạo thành các đường dẫn hẹp. Các tấm này đặt cách nhau bằng các miếng đệm và dòng khí nóng đi theo đường song song qua các tấm so le, trong khi đó dòng chất lỏng cần được gia nhiệt sẽ đi song song giữa các tấm nóng. Để tăng hiệu quả truyền nhiệt, các tấm nóng được uốn hình sóng. Bảng M.24 tổng hợp các loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm.
Hình M.25 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Bảng M.24: Đặc điểm của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Loại thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Cấu trúc Nhận xét Dạng đơn giản, dòng chất lỏng làm mát Một dãy các tấm song song, riêng biệt tạo thành các rãnh hẹp để dòng chất lỏng làm mát và đốt nóng chảy qua.
Nhiệt độ dao động trong khoảng từ 25 - 170oC (có thiết kếđặc biệt có thể lên tới 2000C). Dễ làm sạch, thay thế chi tiết và tăng công suất. Hệ thống từ chất lỏng đến chất lỏng tận thu được 80-90% nhiệt có sẵn. Được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất bia, sữa và hóa chất; trong tận thu tái sinh, và làm thiết bị ngưng tụđể gia nhiệt cho sản phẩm. Khí thải đi vào Khí thải đi ra Nước đi vào Khoang tiết kiệm nhiệt Nước đi ra
M1.7.5 Ông nhiệt
Ông nhiệt là hệ thống sử dụng chu kỳ bay hơi-ngưng tụ để truyền nhiệt năng cao gấp 100 lần so với đồng, vốn được coi là chất dẫn nhiệt tốt nhất. Đây là một hệ thống đơn giản truyền và nhận nhiệt năng liền khối nên chỉ cần bảo dưỡng ở mức thấp nhất.
Ống nhiệt bao gồm 3 bộ phận chính: một khoang chứa kín; lưu chất hoạt động và một kết cấu mao dẫn (xem Hình M.26).
Hình M.26 Ống nhiệt
Trong khoang chứa có lưu chất hoạt động ở trạng thái cân bằng áp suất khi khoang chứa kín. Nhiệt năng cung cấp cho bề mặt bên ngoài của ống nhiệt làm cho lưu chất hoạt động gần bề mặt đó bay hơi tức thời, hấp thu nhiệt ẩn của quá trình bay hơi. Phần ống nhiệt này trở thành vùng bay hơi. Hơi này ở áp suất cao hơn sẽ chuyển đến đầu kia của ống có nhiệt độ thấp hơn, tại đây hơi sẽ ngưng tụ và giải phóng nhiệt ẩn của quá trình bay hơi. Phần này của ống sẽ trở thành vùng ngưng tụ. Kết cấu mao dẫn - một phần không thể thiếu của bề mặt bên trong ống chứa chân không - tạo ra đường hồi lưu cho lưu chất hoạt động, cho phép bắt đầu lại chu trình.
Hiệu suất và ưu điểm
Thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt (HPHE) là một hệ thống thu hồi nhiệt nhỏ gọn. Thiết bị này không cần nạp điện để vận hành và không có nước làm mát và hệ thống bôi trơn. Thiết bị cũng yêu cầu công suất quạt thấp hơn và làm tăng hiệu suất nhiệt tổng thể của hệ thống. Hệ thống thu hồi HPHE có thể hoạt động ở nhiệt độ 315°C, với khả năng thu hồi nhiệt đạt 60 - 80 phần trăm.
Ứng dụng điển hình
Ống nhiệt được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp sau:
a) Quá trình sưởi ấm: HPHE truyền nhiệt năng từ khí thải trong quy trình để sưởi tòa nhà. Nếu cần thiết có thể trộn không khí đã được gia nhiệt sơ bộ. Có thể giảm đáng kể hoặc bỏ hẳn yêu cầu sử dụng thêm thiết bị gia nhiệt để phân phối lượng khí đã được giảm hoặc khử bớt.
Lưu chất hóa hơi ngưng tụ và giải phóng nhiệt Pha lỏng Pha hơi Nhiệt vào Nhiệt làm bốc hơi lưu chất Hệ mao dẫn dạng lưới kim loại nhưđường hồi lưu cho lưu chất Nhiệt ra
b) Quy trình tới quy trình: Thiết bị trao đổi nhiệt ống thu hồi nhiệt năng thải từ khí thải của quy trình và truyền năng lượng này tới khí đi vào quy trình Khí đi vào trở nên ấm nóng và có thể được sử dụng cho cùng một quy trình đó hay cho những quy trình khác, nhờ vậy, giảm năng lượng tiêu thụ trong quy trình.
c) Ứng dụng HVAC:
Làm mát: HPHE có thể làm mát sơ bộ không khí bổ sung cho tòa nhà vào mùa hè, nhờ vậy sẽ làm giảm tổng lượng làm lạnh cũng như giảm vận hành hệ thống làm mát.
Sưởi: Quy trình trên đảo ngược lại vào mùa đông để gia nhiệt sơ bộ không khí bổ sung.
Các ứng dụng công nghiệp khác là:
y Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy của lò hơi. y Thu hồi nhiệt thải từ lò nung.
y Đốt nóng lại không khí tự nhiên cho các thiết bị sấy khí nóng. y Thu hồi nhiệt thải từ thiết bị khử mùi xúc tác.
y Thu hồi nhiệt thải lò nung làm nguồn nhiệt cho các lò khác. y Làm mát sơ bộ không khí lạnh.
y Nguồn nhiệt cho điều hòa không khí.
y Làm mát phòng kín bằng không khí bên ngoài.
y Gia nhiệt sơ bộ nước cấp lò hơi bằng cách thu hồi nhiệt thải từ khói lò trong thiết bị tiết kiệm nhiệt ống nhiệt.
M1.7.6 Bơm nhiệt
Bơm nhiệt có khả năng nâng nhiệt của nguồn lên giá trị cao gấp hai lần giá trị năng lượng cần để vận hành thiết bị. Bơm nhiệt đang được ứng dụng ngày càng nhiều và nhiều ngành đã thu được lợi nhuận từ việc thu hồi nhiệt thải nhiệt độ thấp, sau đó nâng nhiệt độ nhiệt thải và sử dụng vào các chu trình sản xuất chính.
Cấu tạo cơ bản của hệ thống bơm nhiệt gồm có thiết bị nén, thiết bị ngưng, van tiết lưu, thiết bị bay hơi và lưu chất hoạt động. Bơm nhiệt sẽ tách nhiệt từ không khí, nước hoặc dòng chất lỏng của quy trình, thông qua bộ phận trao đổi nhiệt cung cấp cho dòng khí hay dòng lỏng ở nhiệt độ cao hơn. Nguyên lý hoạt động cơ bản của bơm nhiệt giống tủ lạnh thông thường, và chu trình này có thể được sử dụng để làm lạnh. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt được biểu diễn trong hình M.27.
Hình M.27 Bơm nhiệt - nguyên lý hoạt động
Ứng dụng của bơm nhiệt (xem bảng M.25) tỏ ra hữu hiệu nhất khi có thể sử dụng kết hợp cả khả năng sưởi và làm mát. Một ví dụ cụ thể về ứng dụng của bơm nhiệt là trong nhà máy sản xuất nhựa, tại đây nước lạnh từ một nguồn nhiệt được sử dụng để làm mát máy ép nhựa còn nhiệt thoát ra từ bơm nhiệt được sử dụng để sưởi văn phòng hay nhà máy.
Những ví dụ khác về ứng dụng bơm nhiệt bao gồm sấy khô sản phẩm, duy trì môi trường khô ráo cho lưu kho và sấy khí nén.
Bảng M.25: Ứng dụng và ưu điểm của bơm nhiệt
Hiệu suất năng lượng Ứng dụng Ưu điểm
Nhiệt được tách từ khí thải ấm có thểđạt COP là 5 hoặc 6 Nhiệt độ làm việc tối đa có thể thay đổi (40°C, 60°C hoặc 100°C tuỳ thuộc vào việc lựa chọn lưu chất hoạt động)
Công nghiệp gỗ và các sản phẩm gỗ, gốm, sứ, gạch và thực phẩm
Thu hồi nhiệt ở nhiệt độ môi trường xung quanh
M1.7.7 Tuabin nhiệt
Một thay đổi về các phương pháp truyền nhiệt cơ bản là thiết bị hoàn nhiệt nhiệt kiểu quay sử dụng xylanh quay trong dòng khí thải và không khí (xem hình M.28). Tuabin thu hồi năng lượng hay nhiệt là thiết bị thu phát nhiệt khí quay, có thể truyền nhiệt từ dòng khí thải tới khí đi vào thiết bị làm mát. Lĩnh vực ứng dụng chính là khi cần có sự trao đổi nhiệt giữa những khối khí lớn có sự chênh lệch nhỏ về nhiệt Hệ thống sưởi và thông gió và sự thu hồi nhiệt từ khí thải máy sấy là những ứng dụng điển hình. Van giãn nở lưu chất hoạt động chuyển chất lỏng nóng thành hỗn hợp lỏng/hơi lạnh áp suất thấp Nhiệt năng lấy từ khí thải được hấp thụ vào lưu chất hoạt động trong giàn ống lạnh
Giàn ống nhiệt bổ sung nhiệt cho
không khí từ quá trình khí nóng ngưng tụ thành chất lỏng nóng ở điều kiện có áp suất Bơm nhiệt nén khí lạnh thành khí nóng áp suất cao Nhiệt được lưu chất lạnh hấp phụ chuyển lưu chất lạnh thành khí lạnh
Hình M.28 Tuabin nhiệt
Roto tuabin-bao gồm các bộ phận hoặc làm từ lưới thép hoặc làm từ vật liệu sợi vô cơ có lớp phủ hút ẩm bằng gốm thuỷ tinh – cung cấp một bề mặt có diện tích rộng cho dòng khí. Tuabin hấp thụ nhiệt từ khí thải nóng và khi roto quay sẽ truyền nhiệt đến dòng khí đi vào thiết bị làm mát. Tốc độ quay của roto thường là 10–20 vòng/phút. Khí lọt ra ngoài từ hai dòng khí sạch và bẩn kết hợp với nhau để tránh làm nhiễm bẩn giữa hai dòng. Thiết bị này có hiệu suất hơn 80% nhưng chúng có thể thay đổi tuỳ thuộc vào từng trường hợp cụ thể (xem bảng M.26).
Bảng M.26: Tuabin quay - ứng dụng và ưu điểm
Hiệu quả năng lượng Ứng dụng Ưu điểm
Tận thu nhiệt thải: có thể tận thu được nhiệt sẵn có từ 65% trở lên
Hiệu quả về mặt chi phí trong lò, lò đốt, máy in, hệ thống HVAC và sấy giấy, lò nung chảy kim loại
Phục hồi nhiệt ở nhiệt độ môi trường Nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn và có nhiệt độ cao hơn so với thiết bị phục hồi tương ứng
Vì vậy có thể cho nhiệt độ thoát khí thấp hơn.
M1.7.8 Mỏđốt tự thu hồi
Đối với mỏ đốt tự thu hồi (xem hình M.29), thiết bị thu hồi là bộ phận cần thiết, giúp tiết kiệm chi phí và trang bị những bộ phận mới cho lò nung hiện có dễ dàng hơn. Mỏ đốt của thiết bị thu hồi được vận hành theo từng cặp. Trong khi một mỏ đốt dùng để đốt nhiên liệu, mỏ đốt còn lại dùng đệm gốm xốp để dự trữ nhiệt. Sau một khoảng thời gian ngắn (vài phút), quá trình này đảo ngược lại và nhiệt dự trữ trong đệm gốm được dùng để gia nhiệt sơ bộ không khí cháy.
Không khí lạnh từ ngoài vào
Hệ thống ống cấp không khí
Thiết bị hoàn nhiệt kiểu quay
Không khí ấm đi vào phòng Không khí nguội thải ra
Chiều quay của thiết bị hoàn nhiệt
Ống thải không khí
Hình M.29 Mỏđốt tự thu hồi
M1.7.9 Hệ thống thu hồi nhiệt thải cho thiết bị phát nhiệt diesel
Khí thải của thiết bị phát nhiệt diesel (DG) có nhiệt độ cao, từ 330 đến 550°C tuỳ thuộc vào loại và hãng của động cơ và nhiên liệu sử dụng. Năng lượng của khí thải nóng có thể được thu hồi để đun nóng hơi, nước nóng, chất lỏng nhiệt và sản xuất khí nóng (xem hình M.30).
Hình M.30: Sản xuất nước nóng từ khí thải DG.
Khí thải DG 350oC
Lưu chất mang Lưu chất mang nhiệt đi vào nhiệt đi ra
Bơm nhiệt lưu chất Xả thải Bể nước nóng dùng cho quy trình điển hình Cửa xả khí thải Sản phẩm cháy nóng Sản phẩm cháy Không khí cháy Khí thiên nhiên Sản phẩm cháy nóng
M1.7.10 Khả năng ứng dụng của hệ thống trao đổi nhiệt
Bất kỳ sự kết hợp nào giữa nguồn nhiệt và cách sử dụng đều có thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp. Bảng M.27 trình bày cách ứng dụng của các loại phổ biến.
Bảng M.27: ma trận các thiết bị thu hồi nhiệt thải và ứng dụng
Thiết bị thu hồi nhiệt Phạm vi nhiệt độ Các nguồn điển hình Các ứng dụng điển hình
Thiết bị thu hồi bức xạ Cao Lò đốt rác hoặc khí thải lò hơi Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy
Thiết bị thu hồi đối lưu Trung bình đến cao
Lò ngâm hoặc lò ủ, lò nung chảy, buồng đốt sau, lò thiêu dùng khí, mỏđốt ống bức xạ, lò nung lại
Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy Thiết bị hoàn nhiệt lò
nung Cao Lò nấu chảy thuỷ tinh và thép Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy Tuabin nhiệt kim loại Trung bình Thấp đến Lò shơi ấy và lưu hoá, khí thải lò Gia nhiGia nhiệệt st sơơ b bộộ không khí cháy Tuabin nhiệt gốm Trung bình cao đến Khí thLò hơi hoải ặc lò đốt rác Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy Thiết bị hoàn nhiệt
ống tản nhiệt ThTrung bình ấp đến Khí thải lò hơi CGia nhiấu tạo lò hệt sơơ bi ộ nước Thiết bị hoàn nhiệt
dạng vỏ bọc và ống Thấp Nước ngưng từ quá trình lạnh, hơi thải, nước ngưng từ chưng cất, chất làm mát trong động cơ, máy nén khí, ổ bi và chất bôi trơn Dòng chất lỏng cần đun nóng Ống nhiệt Thấp đến Trung bình
Lò nướng sấy khô và lưu hoá hơi thải máy sấy không khí, lò nung và lò lửa quặt
Gia nhiệt sơ bộ không khí cháy Gia nhiệt sơ bộ nước bổ sung lò hơi tạo hơi nước nước nóng trong nhà, sưởi