Chương 3 BẦU HÂM VÀ BẦU LÀM MÁT
3.2. Cấu tạo của bầu hâm và bầu sinh hàn
3.2.1 Bầu hâm cấp nước nồi hơi:
Thân bầu:
Thân bầu hâm dạng hình trụ hoặc hình hộp chữ nhật, thường được chế tạo bằng thép, để gia cố cho thân người ta hàn các trụ, phía trên thân có bố trí các lỗ để lắp van xả khí, van an toàn, phía bên dưới có bố trí các nút để xả cặn, trên thân có hàn các giá đỡ để cố định bầu hâm với thân tàu.
Mặt sàng:
Dùng để cố định các ống trao đổi nhiệt với thân bầu. Các mặt sàng của bầu hâm thường được chế tạo từ thép, ở một số các bầu hâm không lớn thì mặt sàng được làm bằng đồng thau.
Các ống trao đổi nhiệt:
Với một số bầu hâm, nếu nhiệt độ hơi hâm không cao Chỉ đạt khoảng 1200C) thì người ta sử dụng ống thẳng, hai đầu ống được nong lên hai mặt sàng, các ống trong bầu hâm thông thường có đường kính ngoài từ 16 ÷ 20mm, bề dày ống là 2mm, mặt sàng có thể nối cứng với thân bầu bằng phương pháp hàn hoặc đúc.
Hình 3.1. Cấu tạo bầu hâm nước cấp nồi hơi
1-Kiểu hai mặt sàng cố định.2-Kiểu một mặt sàng tự do.;3- Kiểu ống chữ U; 4- Đường nước vào; 5- Đường nước ra; 6-đường hơi vào; 7-Tấm chắn
Với một số bầu hâm có nhiệt độ hơi hâm cao, nếu sử dụng ống thẳng thì người ta bố trí một mặt sàng cố định và một mặt sàng di động, hoặc người ta chế tạo các ống dạng chữ U hay ống xoắn ruột gà, khi đó tất cả các đầu ống đều được nong lên cùng một mặt sàng, nên ống có khả năng giảm được ứng suất nhiệt.
Các tấm chắn hay vách ngăn:
Để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt giữa hai công chất, người ta lắp đặt các tấm chắn bên trong thân bầu hâm, nhờ các tấm chắn mà công chất trao đổi nhiệt lưu động theo nhiều hành trình. Các tấm chắn thường được chế tạo từ những tấm đồng thau.
Nắp bầu hâm:
Tùy thuộc vào áp lực của nước (dầu nhờn hoặc nhiên liệu) được hâm nóng mà nắp bầu hâm được chế tạo từ gang đúc hoặc thép, trên nắp bầu hâm có bố trí đường nước (DN hoặc nhiên liệu vào và ra, và đoạn ống nối có các lỗ để lắp các nhiệt kế.
Bên ngoài thân bầu:
Bên ngoài thân bầu hâm thường được bọc một lớp cách nhiệt, phía ngoài cùng được bao bọc bởi một lớp tôn mỏng.
3.2.2 Bầu hâm nhiên liệu và bầu hâm dầu nhờn:
Việc hâm nhiên liệu và dầu nhờn có độ nhớt cao thường được thực hiện trong các bầu hâm bằng hơi, đôi khi người ta cũng sử dụng bầu hâm bằng điện
Đối với các bầu hâm nhiên liệu và dầu nhờn yêu cầu nhiệt độ hơi hâm không cao, người ta thường sử dụng bầu hâm dạng ống thẳng, được chế tạo bằng thép và hai đầu ống được nong lên hai mặt sàng cũng làm bằng thép. Thân bầu cũng được chế tạo từ thép và được nối với các mặt sàng (như hình vẽ 3.2 ). Việc sử dụng ống thép làm đơn giản hóa kết cấu của bầu hâm. Sự khác nhau về độ giãn dài của các ống thép và thân bầu không đáng kể do đó không gây ra ứng suất nhiệt. Hình vẽ trên là bầu hâm nhiên liệu dạng ống
thẳng chế tạo bằng thép được nong lên mặt sàng, nhiên liệu chảy trong ống thực hiện 8 hành trình, hơi hâm chảy bên ngoài ống thực hiện 5 hành trình.
+ Ưu điểm:
Kết cấu đơn giản, an toàn trong vận hành, tiện lợi cho việc bố trí lắp đặt, dễ vệ sinh bảo dưỡng sửa chữa, dễ bố trí các tấm chắn để tăng khả năng trao đổi nhiệt.
Hình 3.2 Bầu hâm nhiên liệu dạng vách ngăn.
1. Vỏ bầu hâm; 2. Ống hơi; 3. Vách ngăn; 4. Cửa hơi vào; 5. Nắp sau; 6. Gioăng làm kín; 7. Mặt sàng; 8. Bệ; 9. Cửa hơi ra; 10. Nắp trước; 11. Cửa dầu vào; 12. Cửa dầu ra
+ Nhược điểm:
Kích thước của bầu hâm sẽ lớn khi yêu cầu năng suất làm việc lớn, dễ bị gỉ ăn mòn nếu khai thác không đúng quy trình.
Với bầu hâm nhiên liệu dạng ống lồng thẳng (dạng PARACOIL) các ống (5) đặt đứng, đầu dưới được nong lên mặt sàng thứ nhất còn đầu trên cụt được bịt kín bên trong mỗi ống (5) có đặt một ống đồng (6) có đường kính nhỏ hơn, đầu bên trên của ống (6) để hở còn đầu dưới được nong lên mặt sàng thứ hai.
Nắp và thân bầu được chế tạo bằng thép và có bố trí các đường dẫn nhiên liệu vào và ra.
Mặt sàng thứ nhất được chế tạo bằng thép, còn mặt sàng thứ hai được chế tạo bằng đồng thau. Trong thân bầu người ta bố trí các tấm chắn để tăng khả năng trao đổi nhiệt.
+ Ưu điểm:
Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, an toàn trong vận hành, tiện lợi cho việc vệ sinh bảo dưỡng và sửa chữa, tháo lắp dễ dàng, dễ thay thế các ống và các vách ngăn khi bị hỏng, dễ bố trí các vách ngăn để tăng khả năng trao đổi nhiệt.
+ Nhược điểm:
Có kích thước lớn khi đòi hỏi năng suất làm việc lớn.
Với bầu hâm nhiên liệu và dầu nhờn dạng ống xoắn ruột gà (hình vẽ), thì các bề mặt được hâm nóng (bề mặt trao đổi nhiệt) được chế tạo từ các ống đồng (đồng thau) hoặc thép, được làm cong theo hình xoắn ốc mục đích để giảm ứng suất nhiệt.
Trên tàu thủy người ta còn sử dụng các loại bầu hâm nhiên liệu, dầu nhờn dạng cụm ống hình chữ U hay cụm ống thẳng có một mặt sàng di động cũng với mục đích làm giảm ứng suất nhiệt khi sử dụng hơi hâm có nhiệt độ cao, hoặc người ta còn sử dụng bầu hâm nhiên liệu hay dầu nhờn dạng tấm.
3.2.3 Bầu sinh hàn dầu nhờn
a.Bầu làm mát dầu nhờn đặt nằm ngang.
Nước biển đi trong ống, dầu nhờn đi phía ngoài ống.
Hình 3.5 Bầu làm mát làm mát dầu nhờn đặt nằm ngang
1- Đường nước ra; 2-Đường dầu nhờn vào; 3-Vỏ bầu; 4-Ống làm mát; 5-Đường dầu ra; 6-Nắp bầu; 7- Mặt sàng di động; 8-Bệ; 9-Cửa xả bẩn; 10-Vách ngăn; 11-Mặt sàng cố định; 12-Đường nước vào.
Hình 3.4 Bầu hâm nhiên liệu dạng ống xoắn 1-Đường hơi vào; 2-Đường hơi ra; 3-Vỏ bầu; 4- khoang chứa dầu; 5-Ống xoắn; 6-Đường dầu vào Hình 3.3 Bầu hâm nhiên liệu dạng ống lồng
1-Đường nước ngưng ra; 2-Đường nhiên liệu vào; 3-Đường nhiên liệu ra; 4-Ống lồng; 5-Ống
hơi; 6-Vách ngăn; 7-Mặt sàng
Các ống trao đổi nhiệt:
Thường được chế tạo từ đồng thau, có đường kính ngoài từ 11- 20mm và bề dày từ 1÷ 2mm, cụm ống được lắp bên trong thân bầu hình trụ đặt nằm ngang, hai đầu của các ống được gắn lên hai mặt sàng bằng phương pháp nong ống.
Mặt sàng:
Cũng được chế tạo bằng đồng thau, có hai mặt sàng chính: một mặt sàng cố định được lắp ghép với bích của thân và lắp bằng các gurông, còn một mặt sàng di động được tạo rãnh trên chu vi mặt cạnh hoặc tạo mép vát để lắp gioăng cao su làm kín.
Thân bầu:
Được chế tạo từ gang đúc hoặc thép, có dạng hình trụ, Hai đầu bích của thân được lắp ghép với mặt sàng và nắp sinh hàn. Trên thân có bố trí đường dầu nhờn vào và ra, và có lỗ để lắp van xả khí, bên dưới có nút xả cặn.
Các tấm chắn (vách ngăn)
Được đặt trong thân bầu, có phương vuông góc với đường tâm của các ống, nhờ các vách ngăn mà dầu lưu động theo nhiều hành trình (trên hình vẽ là 8 hành trình) phía bên ngoài ống.
Nắp sinh hàn: Cũng được chế tạo từ thép hoặc gang đúc, phía trong các nắp có thể có các vách ngăn tùy thuộc vào số hành trình của nước biển đi (hình vẽ: 2 hành trình), trên nắp có bố trí các bích nối với các đường ống nước biển vào và ra và có các lỗ để lắp các nhiệt kế, có các bích mù để lắp kẽm chống ăn mòn.
+ Ưu điểm:
Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ khai thác bảo dưỡng và sửa chữa.
+ Nhược điểm:
Có kích thước lớn khi đòi hỏi năng suất làm việc lớn b. Bầu làm mát dầu nhờn đặt đứng:
Nước biển làm mát đi trong ống, dầu nhờn đi phía ngoài ống.
Các ống trao đổi nhiệt:
Được chế tạo bằng đồng thau, toàn bộ cụm ống được đặt trong thân bầu, hai đầu của các ống được nong lên hai mặt sàng. Vì mặt sàng trên (4) là mặt sàng cố định, mặt sàng dưới (18) là mặt sàng di động nên khi sửa chữa ta có thể rút cụm ống ra khỏi thân được.
Mặt sàng:
Mặt sàng cố định (4): được lắp ghép với bích của thân và nắp bầu bằn các gurông và được chế tạo từ đồng thau.
Mặt sàng di động (18): được làm kín bởi gioăng cao su (16), nó có thể xê dịch bên trong thân bầu khi có sự giãn nở về nhiệt của cụm ống.
Thân bầu:
Có dạng hình trụ, được chế tạo chế tạo từ thép, trên thân có bố trí các đường dầu nhờn vào và ra, và có các lỗ để lắp van xả khí và nút xả cặn, trên thân người ta còn hàn các giá đỡ (gối cố định 11) để cố định bầu với thân tàu.
Tấm chắn (vách ngăn):
Được đặt trong thân bầu, mặt phẳng của nó vuông góc với các đường tâm của ống, nhờ các vách ngăn này mà dầu lưu động theo nhiều hành trình để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt.
Hình 3.6 Bầu làm mát dầu nhờn đặt đứng 1- Vỏ bầu; 2-ống nớc;3. Đờng dầu nhờn vào; 4. Mặt sàng trên;5. Nắp trên; 6. Đờng nớc vào; 7. Đờng nớc ra; 8. Vách ngăn; 9. Dẫn hớng; 10. Vòng; 11. Gối cố định; 12. Nút xả
bẩn; 13. Kẽm chống ăn mòn; 14. Nắp dới; 15. Bích ; 16.
Gio¨ng cao su; 17. §êng dÇu ra
Nắp bầu:
Được làm bằng thép hoặc gang đúc.
Nắp trên (5): có một vách ngăn, nhờ vậy mà chia các ống thành hành trình (1) và (2), ở mỗi phần của nắp có bố trí ống nối nước làm mát vào hoặc ra., và có các lỗ để lắp các nhiệt kế.
Nắp dưới (13): Có các bích để lắp các tấm kẽm chống ăn mòn, nút xả cặn.
+ Ưu điểm:
Kết cấu đơn giản, cụm ống có thể tháo rời khỏi thân nên dễ sửa chữa khi ống bị hư hỏng.
+ Nhược điểm:
Khi yêu cầu bầu làm mát có năng suất lớn thì kích thước sẽ lớn do đó khó khăn cho việc bố trí lắp đặt.
Khó khăn cho việc vệ sinh ống.
3.2.4 Bầu làm mát nước ngọt
Các bầu làm mát nước ngọt có kết cấu tương tự như bầu làm mát dầu nhờn. Trong các bầu làm mát nước ngọt, một trong mặt sàng là mặt sàng di động, nước biển đi trong ống, nước ngọt chảy bên ngoài ống, các ống thường được chế tạo bằng đồng thau có đường kính ngoài từ 12÷ 20mm, độ dày của ống 1mm.
Hình3.7 Bầu làm mát nước ngọt
1-Nắp trước;2-Đường nước ngọt vào; 3-Vỏ bầu; 4-Ống nước biển; 5-Vách ngăn;6-Thanh chằng; 7. Đường nước ngọt ra; 8. Đường nước biển ra ; 9- Nắp sau; 10- Mặt sàng cố định; 11-
Đường nước biển vào; 12- Bích xả cặn; 13- Mặt sàng di động; 14- Kẽm chống ăn mòn.
3.2.5 Bầu làm mát gió tăng áp:
Bầu làm mát gió tăng áp cho động cơ D thường sử dụng các ống đồng thau có gắn các cánh dẫn nhiệt phía bên ngoài ống (phía gió tăng áp), các cánh này cũng làm bằng các lá đồng thau. Hai đầu ống được nong lên hai mặt sàng (2), Phần mặt sàng di động để cho các ống co giãn tránh được ứng suất nhiệt và được làm kín bởi vòng cao su chặn (4), nước biển đi vào khoang nước (1) theo ống (5) và đi vào trong các ống TĐN rồi ra ngoài, không khí quét ngang qua chùm ống TĐN với nước biển do đó làm giảm nhiệt độ không khí trước khi cấp vào động cơ diesel.
3.2.7 Bầu làm mát dạng tấm:
Thường được sử dụng rộng rãi trên các tàu thủy để làm mát dầu nhờn, nước ngọt, hâm sấy nhiên liệu, dùng trong hệ thống chưng cất nước ngọt
Tấm đế:
Được chế tạo từ thép tấm, trên mặt tấm có khoét 4 lỗ để nối với các đường ống dẫn các công chất nóng và lạnh vào và ra, phía trên và phía dưới tấm đế được lắp ghép với các thanh trượt để đỡ các tấm TĐN, Hai bên mép tấm đế có tạo các rãnh để lắp các bulông xiết chặt, phía dưới cùng của tấm đế được lắp với bệ đỡ để gắn với thân tàu.
Hình 3.8. Cấu tạo bầu làm mát gió tăng áp
1-Khoang nước; 2-Mặt sàng; 3-Ống trao đổi nhiệt; 4-Gioăng cao su làm kín; 5-Đường nước làm mát vào; 6-Đường nước làm mát ra
Tấm ép:
Cũng được làm từ thép, nó dùng để ép các tấm trao đổi nhiệt, hai bên mép tấm ép có tạo các rãnh giống như tấm đế để lắp các bulông xiết chặt.
Thanh trượt:
Cũng được chế tạo bằng thép có dạng hình tròn, chữ I, chữ nhật, hoặc chữ T…, chúng được dùng để treo giữ tấm ép và các tấm trao đổi nhiệt
Các tấm trao đổi nhiệt:
Thường được chế tạo từ thép không gỉ (Steinless steel) hoặc Titanium có độ dày từ 0,5 ÷ 1mm được rèn lượn sóng, khi ghép các tấm với nhau sẽ tạo thành một bên là chất nhận nhiệt chuyển động, còn bên kia là môi chất nhả nhiệt chuyển động. Mỗi tấm có khoét 4 lỗ để dẫn môi chất nóng và lạnh chuyển động vào và ra, giữa các tấm có đặt các gioăng làm kín để đảm bảo độ kín và sự phân bố dòng chảy của môi trường nóng và lạnh trong các rãnh giữa 2 tấm cận kề nhau
Khe hở giữa các tấm từ 2 ÷ 6mm.
Hình 3.9. Bầu sinh hàn dạng tấm
1-Tấm đỡ trước; 2-Thanh trượt trên; 3-Tấm đỡ sau; 4-Thanh đỡ; 5-Tấm trao nhiệt; 6-Cụm tấm trao nhiệt; 7-Thanh trượt dưới; 8-Bu lông giữ; 9-Tấm đỡ trung gian; 10-Ống nối trung gian
+ Ưu điểm:
Dễ vệ sinh, khi vệ sinh chỉ cần tháo các bu lông xiết, tháo tấm ép và các tấm trao đổi nhiệt
ra dùng nước, bàn chải nhựa để vệ sinh bề mặt các tấm.
Bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế dễ dàng.
Kết cấu gọn, dễ bố trí lắp đặt ở trên tàu.
+ Nhược điểm:
Phải sử dụng một số lượng lớn các gioăng làm kín.
Không sử dụng được trong điều kiện môi chất làm việc với áp suất cao.
3.3.Tính nhiệt bầu hâm và bầu làm mát:
3.3.1Các phương trình tính nhiệt:
a. Phương trình truyền nhiệt:
Q = K.F.∆t [kcal/h]
Trong đó:+ K[kcal/m2.h.độ]- hệ số truyền nhiệt + F[m2]- diện tích TĐN
+ ∆t [0C]- độ chênh nhiệt độ trung bình giữa 2 chất nhận nhiệt và nhả nhiệt b. Phương trình cân bằng nhiệt:
Qcb = C1.V1.ρ1.(t1’ – t1”) = C2.V2. ρ2.(t2’ – t2”) [kcal/h]
Trong đó: Qcb = C1.V1.ρ1.(t1’ – t1”) là nhiệt lượng do môi chất nóng nhả ra C1[kcal/kg.độ] là NDR khối lượng của chất nhả nhiệt
V1[m3/h] là lưu lượng thể tích của chất nhả nhiệt
ρ1[kg/m3] là mật độ (khối lượng riêng) của chất nhả nhiệt.
t1’; t1”[0C] là nhiệt độ vào và ra của chất nhả nhiệt
Tương tự: Qcb = C2.V2.ρ2.(t2’ – t2”) là nhiệt lượng do môi chất lạnh nhận được.
3.3.2 Các thông số tính nhiệt:
a. Diện tích bề mặt TĐN được xác định theo công thức:
Trường hợp tính thiết kế:
F = t K
Q
∆
. [m2]
Trong đó Q[kcal/h] là nhiệt lượng trao đổi từ môi chất này đến môi chất khác, và được tính theo phương trình cân bằng nhiệt.
Trường hợp tính nghiệm nhiệt:
F = π.d.l.Z Với:
d[m]: đường kính ống.
Nếu môi chất lỏng trong ống, lấy d = dtr.
Nếu môi chất lỏng ngoài ống, lấy d = dng
l[m]: chiều dài ống Z: số ống
b.Hệ số truyền nhiệt K:
Với bầu hâm và bầu làm mát dạng ống
[ ]
∑= + +
+
= n
i i
i
i d d d
d
K
1 2 2
1 1
1
ln 1 2
1 1
1
α λ
α
Với:
α1[kcal/m2.h.độ]- hệ số tỏa nhiệt của môi chất nóng tới bề mặt ngoài của ống
α2[kcal/m2.h.độ]- hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt trong tới chất lỏng lạnh.
d1; d2[m]- đường kính trong và đường kính ngoài ống λ[kcal/m.h.độ]- hệ số dẫn nhiệt
Với bầu hâm và bầu làm mát dạng tấm thì:
c. Hệ số tỏa nhiệt khi nước chảy trong ống:
Ở chế độ chảy rối (Re ≥ 103), hệ số tỏa nhiệt từ thành ống đến nước (α2) có thể xác định theo phương trình tiêu chuẩn sau:
Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.(Prf/Prw)0,25 Khi đó: d
Nuλ α = .
[kcal/m2.h.độ ] Hay Nu = 0,023.Re0,8.Pr0,4
Với
ν ω.l
Re= Tiêu chuẩn Râynon, xác định ở nhiệt độ trung bình của chất lỏng ω- Tốc độ trung bình của chất lỏng trong lớp biên.
l- Chiều dài ống
ν[m2/s]- Độ nhớt động học.
Prf: tiêu chuẩn Prăng, xác định ở nhiệt độ trung bình của chất lỏng.
Prw: Tiêu chuẩn Prăng, xác định ở nhiệt độ vách ống.
λ ν à Cp
a
Pr= = . Với
ρ λ
.
a=C [m2/s]- Hệ số dẫn nhiệt độ Đối với không khí Nu = 0,018Re 0.8
d. Hệ số tỏa nhiệt khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống:
Sử dụng các công thức sau để xác định hệ số TĐN đối lưu khi chất lỏng chảy ngang qua chùm ống dưới góc va ψ = 900.
Khi chùm ống bố trí //: Nu = 0,23.Re0,65.Pr0,33.(Prf/Prw) 0,25 Khi chùm ống bố trí so le: Nu = 0,41.Re0,6.Pr0,33.(Prf/Prw)0,25 Đối với không khí:
Khi chùm ống bố trí song song: Nu = 0,21.Re0,65
Khi chùm ống bố trí so le: Nu = 0,37.Re0,6
Khi góc va ψ ≠ 900 thì các công thức trên phải nhân thêm với hệ số εψ (εψ = f(ψ) tìm được bằng cách tra đồ thị
Chú ý: Trong các công thức trên khi tính Re và Pr thì nhiệt độ xác định là nhiệt độ trung bình của chất lỏng, đường kính xác định là đường kính ngoài của ống.
Khi tính Prw thì nhiệt độ xác định là nhiệt độ bề mặt ngoài của ống.
Trong thực tế, khi tính đến ảnh hưởng của độ bẩn của bề mặt TĐN, thì giá trị hệ số tỏa nhiệt trung bình đối với tất cả chùm ống được xác định theo công thức sau:
Khi chùm ống bố trí song song: Nu = 0,18.Re0,64
Khi chùm ống bố trí so le: Nu = 0,29.Re0,6
Nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt trung bình của hệ ống người ta rút ra kết luận sau:
Với cụm ống song song:
Hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ nhất bằng 60% hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ ba.
Hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ hai bằng 90% hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ ba.
Với cụm ống so le:
Hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ nhất bằng 60% hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ ba.
Hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ nhất bằng 70% hệ số tỏa nhiệt của hàng ống thứ ba.
Từ hàng ống thứ ba trở đi hệ số tỏa nhiệt có giá trị ổn định.
e.Độ chênh nhiệt độ trung bình của môi chất nóng và môi chất lạnh: