Bộ trao đổi nhiệt quá khổ

Bộ trao đổi nhiệt thường được mua quá khổ so với yêu cầu nhiệm vụ. Hướng dẫn này xem xét các lý do, tác động của việc này và các yêu cầu liên quan, chẳng hạn như cỡ bẫy hơi cho bộ trao đổi nhiệt quá khổ.

Các phép tính trước đó (Module 13.2) giả định rằng bộ trao đổi nhiệt đã được định cỡ dựa trên diện tích gia nhiệt hoàn hảo để đáp ứng thông số kỹ thuật. Điều này có nghĩa là bộ trao đổi nhiệt được định cỡ chính xác cho nhiệm vụ.

Điều này rất khó xảy ra trong thực tế vì người thiết kế hoặc người quy định thường sẽ thêm các hệ số khác, bao gồm các hệ số cho đóng bẩn và sự không chắc chắn của tải vận hành tối đa. Cũng không chắc nhà sản xuất có thể cung cấp bộ trao đổi nhiệt khớp chính xác với thông số kỹ thuật. Vì bộ trao đổi nhiệt thiếu cỡ là không thực tế nên chúng thường được mua quá khổ.

Các điều kiện vận hành được quy định trong Ví dụ 13.2.1, Phần ‘C’, đã được xem xét lại trong Ví dụ 13.3.1 bằng cách thêm 15% vào diện tích gia nhiệt yêu cầu để tính đến các trường hợp bất ngờ.

Diện tích gia nhiệt yêu cầu được tính là 1,09 m² (Ví dụ 13.2.1, Phần ‘C’) do đó diện tích gia nhiệt được quy định cho Ví dụ 13.3.1 là 1,09 + 15% = 1,254 m².

Kích thước tối thiểu mà nhà sản xuất có thể cung cấp có diện tích gia nhiệt là 1,31 m², đại diện cho diện tích gia nhiệt thực tế lớn hơn khoảng 20% so với yêu cầu. Diện tích gia nhiệt lớn hơn yêu cầu áp suất hơi thấp hơn cho cùng tốc độ truyền nhiệt, và do đó áp suất hơi trong bộ trao đổi nhiệt quá khổ sẽ thấp hơn cho cùng tải nhiệt.

Vì áp suất hơi thấp hơn, nhiệt độ hơi thấp hơn, và LMTD (Hiệu số nhiệt độ trung bình lôgarit) của bộ trao đổi nhiệt cũng sẽ thấp hơn.

Để xác định nhiệt độ hơi cho điều kiện thiết kế, trước tiên cần tìm LMTD mới (ΔTLM) cho diện tích gia nhiệt lớn hơn (xem Ví dụ 13.3.1).

Ví dụ 13.3.1

ΔTLM có thể được tìm bằng cách sắp xếp lại Phương trình 13.2.1 để có Phương trình 13.3.1 Từ Ví dụ 13.2.2, ở tải đầy đủ: Nhiệt độ thứ cấp đầu vào (T1) = 10°C

Nhiệt độ thứ cấp đầu ra (T2) = 60°C

Nhiệt độ thiết kế hơi mới bây giờ có thể được xác định bằng Phương trình 2.5.5: Nhiệt độ này tương ứng với áp suất hơi 1,95 bar g. Khi bộ trao đổi nhiệt được định cỡ hoàn hảo trong Module 13.2, áp suất hơi là 4 bar g. Trong ví dụ này, với bộ trao đổi nhiệt quá khổ 20%, áp suất hơi thấp hơn 51%.

Bây giờ khi áp suất hơi đã được dự đoán ở điều kiện tải đầy đủ, có thể tính lưu lượng hơi ở tải đầy đủ. Bằng cách sử dụng Phương trình 2.8.1 tìm lưu lượng hơi ở tải nhiệt đầy đủ là 314,25 kW. Ở 1,95 bar g, bảng hơi cho biết nhiệt hóa hơi là 2 164,6 kJ/kg. Lưu lượng hơi là 536,6 kg/h trong bộ trao đổi nhiệt được định cỡ hoàn hảo (Ví dụ 13.2.1), vì vậy có thể thấy có sự giảm nhẹ (2,5%) lưu lượng khối. Điều này là do hơi có nhiệt hóa hơi hơi lớn hơn trong bộ trao đổi nhiệt lớn hơn do áp suất thấp hơn.

Xác định TDC cho bộ trao đổi nhiệt lớn hơn Bây giờ khi nhiệt độ hơi đã được xác định cho bộ trao đổi nhiệt quá khổ (sử dụng phương trình LMTD [Phương trình 2.5.5]), bây giờ có thể tìm TDC của nó, sử dụng Phương trình 13.2.2. Ở tải nhiệt tối thiểu: Khi bộ trao đổi nhiệt được định cỡ hoàn hảo trong Ví dụ 13.2.1, nhiệt độ hơi là 115,2°C ở tải nhiệt tối thiểu là 188,5 kW.

Vì bộ trao đổi nhiệt quá khổ trong ví dụ này lớn hơn khoảng 20%, nhiệt độ hơi cũng sẽ thấp hơn ở tải nhiệt tối thiểu. Tải nhiệt tối thiểu vẫn giống như trong Ví dụ 13.2.1 và xảy ra khi nhiệt độ thứ cấp đầu vào tăng lên 30°C. Từ Phương trình 13.2.3: So sánh hai bộ trao đổi nhiệt ở tải tối thiểu, nhiệt độ hơi đã giảm từ 115,2°C trong bộ trao đổi nhiệt được định cỡ hoàn hảo xuống 103,8°C trong bộ trao đổi nhiệt quá khổ.

Từ bảng hơi, nhiệt độ hơi này tương ứng với áp suất hơi khoảng 0,15 bar g, và hfg = 2 247 kJ/kg. Áp suất hơi trong bộ trao đổi nhiệt được định cỡ hoàn hảo (ở 115,2°C) là 0,7 bar g.

Bằng cách sử dụng Phương trình 2.8.1, có thể tìm lưu lượng hơi ở tải nhiệt tối thiểu là 188,5 kW. Lưu lượng hơi tối thiểu là 306 kg/h trong bộ trao đổi nhiệt được định cỡ hoàn hảo (Ví dụ 3.2.1), vì vậy có thể thấy có sự giảm nhẹ lưu lượng khối trong bộ trao đổi nhiệt quá khổ ở tải nhiệt tối thiểu. Điều này là do hơi có nhiệt hóa hơi hơi lớn hơn trong bộ trao đổi nhiệt lớn hơn do áp suất thấp hơn.

Áp suất hơi, bẫy hơi và loại bỏ ngưng tụ hiệu quả

Khi hơi tỏa nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt sang chất thứ cấp, nó ngưng tụ trong không gian hơi. Ngưng tụ đi ra qua cửa xả của bộ trao đổi nhiệt, và qua bẫy hơi, bẫy giữ hơi trong không gian hơi trong khi cho phép ngưng tụ được xả ra tự do.

Nếu bộ trao đổi nhiệt không được thiết kế đặc biệt để vận hành với ngưng tụ tràn không gian hơi, áp suất hơi cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo bộ trao đổi nhiệt được thoát ngưng tụ đúng cách. Bất kỳ tình trạng ngập nước nào của không gian hơi sẽ làm giảm diện tích bề mặt gia nhiệt hiệu quả, và yêu cầu truyền nhiệt có thể chỉ được đáp ứng nếu bộ trao đổi nhiệt đủ (có thể do tình cờ) quá khổ.

Công suất của bẫy hơi sẽ phụ thuộc vào loại của nó, kích thước lỗ và hiệu áp suất qua nó. Hiệu áp suất cung cấp năng lượng để đẩy ngưng tụ qua bẫy, và là sự khác biệt giữa áp suất hơi trong bộ trao đổi nhiệt và áp suất ngược tác động lên cửa xả của bẫy bởi hệ thống ngưng tụ.

Nếu bẫy hơi thoát bằng trọng lực qua ống được định cỡ đúng cách đến bể thu ngưng tụ có thông khí hoặc đầu hở, áp suất ngược phải rất gần áp suất khí quyển. Trong những điều kiện này, hiệu áp suất trên biểu đồ định cỡ có thể đơn giản được đọc là áp suất kế trong bộ trao đổi nhiệt.

Tuy nhiên, nếu có độ nâng sau bẫy (sự tăng lên trong đường xả bẫy), hoặc đường xả bẫy thiếu cỡ, hoặc đường này bị tăng áp vì bất kỳ lý do nào khác, áp suất ngược có thể, đôi khi, lớn hơn áp suất trong không gian hơi. Khi điều này xảy ra, hiệu áp suất qua bẫy bị đảo ngược và được coi là ‘hiệu áp suất âm’. Công suất bẫy bây giờ bằng không.

Như có thể thấy trong các phép tính trên, áp suất hơi trong bất kỳ bộ trao đổi nhiệt nào được điều khiển bởi kích thước của nó và các điều kiện thứ cấp. Vì công suất của bẫy hơi phụ thuộc vào hiệu áp suất, nên theo đó sự thay đổi áp suất hơi và áp suất ngược ảnh hưởng đến công suất của bẫy hơi tại mọi thời điểm. Khi hiệu áp suất giảm, công suất của bẫy hơi sẽ giảm. Miễn là hiệu áp suất dương và bẫy hơi được chọn và định cỡ có tính đến điều này, tình trạng ngập nước và các vấn đề liên quan sẽ không xảy ra.

Định cỡ bẫy hơi cho bộ trao đổi nhiệt quá khổ Các điều kiện cần xem xét là:

• Tải đầy đủ : 523 kg/h ở 1,95 bar g trong không gian hơi
• Tải tối thiểu : 302 kg/h ở 0,15 bar g trong không gian hơi
• Áp suất ngược : Áp suất khí quyển (0 bar g) Xem xét, trên biểu đồ công suất bẫy nổi Hình 13.3.2, một bẫy hơi dạng nổi DN25 (1”) FT14-4.5. Có thể thấy rằng nó sẽ cho thông 850 kg/h ở hiệu áp suất 1,95 bar. Cũng có thể thấy rằng ở hiệu áp suất 0,15 bar nó sẽ cho thông khoảng 370 kg/h. Trong ví dụ này, xem xét bẫy được gắn vào bộ trao đổi nhiệt quá khổ và thoát bằng trọng lực đến bể thu ngưng tụ có thông khí, như mô tả trong Hình 13.3.1.

Để đảm bảo thoát nước đúng cách, bẫy hơi phải có khả năng xử lý tất cả các tải giữa điều kiện tải đầy đủ và tải tối thiểu.

Vì áp suất ngược ngưng tụ là áp suất khí quyển trong ví dụ này, áp suất không gian hơi tối thiểu là 0,15 bar g luôn cao hơn áp suất ngược. Có thể thấy từ biểu đồ công suất (Hình 13.3.2) rằng bẫy có đủ công suất ở tải tối thiểu và tải tối đa, vì vậy bẫy hơi dạng nổi DN25 (1”) FT14-4.5 đủ lớn.

Tuy nhiên, nếu trong ví dụ này, áp suất ngược cao hơn áp suất hơi tối thiểu 0,15 bar g, hệ thống sẽ bị stall ở đâu đó trong phạm vi vận hành bình thường. (Điều này chỉ cần một độ nâng hơn 1,5 mét sau bẫy để gây ra). Do đó, bẫy sẽ phải được chọn và định cỡ tùy thuộc vào lượng áp suất ngược. Với áp suất ngược lớn hơn có thể cần phải lắp bẫy bơm.

Hướng dẫn về cách chọn bẫy đúng cho bộ trao đổi nhiệt được cung cấp trong Module 13.4.