Tiêu thụ Hơi của Trao đổi Nhiệt

Các loại trao đổi nhiệt khác nhau được giải thích và so sánh trong hướng dẫn này, cùng với tính toán tiêu thụ hơi và các vấn đề khác như tầm quan trọng của tải trọng khởi động.

Thuật ngữ trao đổi nhiệt theo nghĩa rộng áp dụng cho tất cả các loại thiết bị trong đó quá trình truyền nhiệt được thúc đẩy từ môi trường này sang môi trường khác. Một bộ tản nhiệt gia dụng, nơi nước nóng tỏa nhiệt cho không khí xung quanh, có thể được mô tả là trao đổi nhiệt. Tương tự, lò hơi hơi nơi khí đốt cháy tỏa nhiệt cho nước để đạt quá trình bay hơi, có thể được mô tả là trao đổi nhiệt đốt nóng.

Tuy nhiên, thuật ngữ này thường được áp dụng cụ thể hơn cho trao đổi nhiệt ống vỏ hoặc trao đổi nhiệt dạng tấm, nơi chất lỏng sơ cấp như hơi được sử dụng để gia nhiệt chất lỏng quá trình. Trao đổi nhiệt ống vỏ được sử dụng để gia nhiệt nước cho sưởi ấm không gian (sử dụng hơi hoặc nước) thường được gọi là bình gia nhiệt không tích trữ. (Bình gia nhiệt tích trữ, như thể hiện trong Hình 2.13.1, được chế tạo khác đi, thường bao gồm một bình tích trữ nước nóng với cuộn gia nhiệt sơ cấp bên trong).

Nhà sản xuất thường cung cấp công suất nhiệt cho trao đổi nhiệt của họ tính bằng kW, và từ đó lượng tiêu thụ hơi có thể được xác định, tương tự như cụm sưởi không khí. Tuy nhiên, trao đổi nhiệt (đặc biệt là loại ống vỏ) thường quá lớn cho các hệ thống mà chúng phục vụ.

Bình gia nhiệt không tích trữ (như thể hiện trong Hình 2.13.2) thường được chọn từ dải kích thước tiêu chuẩn, và thường có dung lượng lớn hơn nhiều so với thiết kế. Đối với sưởi ấm nước nóng cho tòa nhà, cũng có thể có một số hệ số an toàn được tính trong tính toán tải trọng nhiệt. Trao đổi nhiệt dạng tấm cũng có thể được chọn từ dải kích thước tiêu chuẩn nếu đơn vị được hàn hoặc hàn kín. Tuy nhiên, có nhiều tính linh hoạt hơn trong việc định cỡ trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng, nơi các tấm thường có thể được thêm hoặc bớt để đạt diện tích truyền nhiệt mong muốn. Trong nhiều trường hợp, trao đổi nhiệt dạng tấm được định cỡ quá lớn chỉ để giảm tổn thất áp suất cho chất lỏng thứ cấp. Trên nhà máy hiện có, chỉ báo về tải trọng thực tế có thể thu được nếu biết nhiệt độ dòng đi và dòng về và tốc độ bơm. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là lưu lượng được ghi trên bảng tên của nhà sản xuất bơm có thể liên quan đến cột áp suất, có thể có hoặc không có trong thực tế.

Tính toán tiêu thụ hơi cho trao đổi nhiệt

Trao đổi nhiệt ống vỏ và trao đổi nhiệt dạng tấm là các ví dụ điển hình của ứng dụng loại dòng chảy. Do đó, khi xác định lượng tiêu thụ hơi cho các ứng dụng này, nên sử dụng Phương trình 2.6.5.

Tải trọng khởi động có thể bị bỏ qua nếu nó xảy ra hiếm khi, hoặc nếu thời gian để đạt đầu ra tải trọng đầy đủ không quá quan trọng. Trao đổi nhiệt thường được định cỡ dựa trên tải trọng vận hành đầy đủ, với việc bổ sung hệ số an toàn.

Tổn thất nhiệt hiếm khi được tính đến trong các ứng dụng loại dòng chảy này, vì chúng ít hơn đáng kể so với tải trọng vận hành đầy đủ. Trao đổi nhiệt ống vỏ thường được cách nhiệt để tránh tổn thất nhiệt, và để tránh thương tích có thể xảy ra cho nhân viên. Trao đổi nhiệt dạng tấm có xu hướng nhỏ gọn hơn và có diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí xung quanh ít hơn nhiều so với kích thước của đơn vị.

Ví dụ 2.13.1

Xác định tải trọng nhiệt và tải trọng hơi của bình gia nhiệt không tích trữ sau đây Bình gia nhiệt được thiết kế để hoạt động ở tải trọng đầy đủ với hơi ở 2,8 bar g trong không gian hơi sơ cấp. Nhiệt độ nước thứ cấp dòng đi và dòng về lần lượt là 82 °C và 71 °C, ở tốc độ bơm nước 7,2 kg/s. cp cho nước = 4,19 kJ/kg °C

Bảng 2.13.1 Trích từ bảng hơi

Phần 1 Xác định tải trọng nhiệt Tải trọng đầy đủ có thể được tính bằng Phương trình 2.6.5:

Phần 2 Xác định tải trọng hơi Tốc độ ngưng tụ tải trọng đầy đủ có thể được xác định bằng vế trái của phương trình cân bằng nhiệt 2.6.6:

Trao đổi nhiệt dạng tấm

Trao đổi nhiệt dạng tấm bao gồm một loạt các tấm kim loại gợn sóng mỏng giữa đó tạo thành nhiều kênh, với chất lỏng sơ cấp và thứ cấp chảy qua các kênh xen kẽ. Truyền nhiệt diễn ra từ hơi sơ cấp sang chất lỏng quá trình thứ cấp trong các kênh liền kề qua tấm. Hình 2.13.3 cho thấy sơ đồ minh họa trao đổi nhiệt dạng tấm.

Họa tiết gợn sóng tăng độ cứng của tấm và cung cấp khả năng chống áp suất chênh lệch tốt hơn. Họa tiết này cũng tạo ra dòng chảy rối trong các kênh, cải thiện hiệu quả truyền nhiệt, làm cho trao đổi nhiệt dạng tấm nhỏ gọn hơn so với trao đổi nhiệt ống vỏ truyền thống. Việc thúc đẩy dòng chảy rối cũng loại bỏ sự hiện diện của vùng ứ đọng và do đó giảm bám bẩn. Các tấm thường được phủ ở mặt sơ cấp, để thúc đẩy ngưng tụ dạng giọt của hơi.

Thị trường trao đổi nhiệt hơi trong quá khứ do trao đổi nhiệt ống vỏ thống trị, trong khi trao đổi nhiệt dạng tấm thường được ưu tiên trong ngành chế biến thực phẩm và gia nhiệt nước thải. Tuy nhiên, những tiến bộ thiết kế gần đây có nghĩa là trao đổi nhiệt dạng tấm hiện nay phù hợp ngang nhau cho các ứng dụng gia nhiệt hơi. Trao đổi nhiệt dạng tấm có thể cho phép cả ngưng tụ và làm nguội ngưng tụ trong một đơn vị duy nhất. Nếu ngưng tụ được xả vào bình thu khí quyển, bằng cách giảm nhiệt độ ngưng tụ, lượng hơi bốc hơi mất ra khí quyển qua thông hơi của bình thu cũng giảm. Điều này có thể loại bỏ nhu cầu bộ làm nguội riêng biệt hoặc hệ thống thu hồi hơi bốc hơi. Mặc dù diện tích truyền nhiệt danh nghĩa có thể được tính lý thuyết bằng Phương trình 2.5.3, trao đổi nhiệt dạng tấm là thiết kế độc quyền và thường sẽ được xác định thông qua tư vấn với nhà sản xuất. Trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng (trao đổi nhiệt dạng tấm và khung) Trong trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng, các tấm được kẹp lại với nhau trong khung, và một gioăng mỏng (thường là polyme tổng hợp) bịt kín mỗi tấm xung quanh mép. Bu lông siết được lắp giữa các tấm được sử dụng để nén bộ tấm giữa tấm khung và tấm áp suất. Thiết kế này cho phép tháo dỡ dễ dàng để vệ sinh, và cho phép điều chỉnh dung lượng bằng cách đơn giản là thêm hoặc bớt tấm. Sử dụng gioăng mang lại một mức độ linh hoạt cho bộ tấm, cung cấp khả năng chống mỏi nhiệt và biến đổi áp suất đột ngột. Điều này làm cho một số loại trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng trở thành lựa chọn lý tưởng làm bộ gia nhiệt hơi cho cung cấp nước nóng tức thời, nơi các tấm sẽ tiếp xúc với một lượng chu kỳ nhiệt nhất định. Hạn chế trong việc sử dụng trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng nằm ở phạm vi nhiệt độ vận hành của gioăng, đặt ra giới hạn đối với áp suất hơi có thể được sử dụng trên các đơn vị này. Trao đổi nhiệt dạng tấm hàn Trong trao đổi nhiệt dạng tấm hàn, tất cả các tấm được hàn lại với nhau (thường sử dụng đồng hoặc niken) trong lò chân không. Đây là phát triển từ trao đổi nhiệt dạng tấm gioăng, và được phát triển để cung cấp khả năng chống áp suất và nhiệt độ cao hơn với chi phí tương đối thấp. Tuy nhiên, không giống như loại gioăng, trao đổi nhiệt dạng tấm hàn không thể tháo dỡ. Nếu cần vệ sinh, phải được rửa ngược hoặc làm sạch hóa học. Điều này cũng có nghĩa là các đơn vị này có dải kích thước tiêu chuẩn, do đó định cỡ quá lớn là phổ biến. Mặc dù trao đổi nhiệt hàn có thiết kế chắc chắn hơn loại gioăng, nó cũng dễ bị mỏi nhiệt hơn do cấu trúc cứng hơn. Do đó, bất kỳ thay đổi đột ngột hoặc thường xuyên nào về nhiệt độ và tải trọng nên được tránh, và cần chú ý hơn đến kiểm soát ở phía hơi để tránh ứng suất nhiệt. Trao đổi nhiệt hàn phù hợp hơn (và chủ yếu được sử dụng) cho các ứng dụng mà biến đổi nhiệt độ chậm, chẳng hạn như sưởi ấm không gian. Chúng cũng có thể được sử dụng thành công với chất lỏng thứ cấp giãn nở dần, chẳng hạn như dầu nhiệt. Trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín Trong trao đổi nhiệt dạng tấm hàn kín, bộ tấm được giữ lại bằng đường hàn giữa các tấm. Việc sử dụng kỹ thuật hàn laser cho phép bộ tấm linh hoạt hơn bộ tấm hàn, cho phép đơn vị hàn kín chống lại xung áp suất và chu kỳ nhiệt tốt hơn. Giới hạn nhiệt độ và áp suất vận hành cao của đơn vị hàn kín có nghĩa là các trao đổi nhiệt này thường có thông số kỹ thuật cao hơn, và phù hợp hơn cho các ứng dụng công nghiệp nặng. Chúng thường được sử dụng ở đâu cần hiệu suất áp suất hoặc nhiệt độ cao, hoặc khi các phương tiện nhớt như dầu và các hydrocarbon khác cần được gia nhiệt. Trao đổi nhiệt ống vỏ Trao đổi nhiệt ống vỏ có lẽ là phương pháp phổ biến nhất để cung cấp trao đổi nhiệt gián tiếp trong các ứng dụng quá trình công nghiệp. Trao đổi nhiệt ống vỏ bao gồm một bó ống được đặt trong vỏ hình trụ. Các đầu ống được lắp vào tấm ống, tách biệt chất lỏng sơ cấp và thứ cấp. Nơi hơi ngưng tụ được sử dụng làm môi trường gia nhiệt, trao đổi nhiệt thường nằm ngang với ngưng tụ diễn ra bên trong ống. Làm nguội cũng có thể được sử dụng như một phương tiện để thu hồi thêm nhiệt từ ngưng tụ trong trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, nếu mức độ làm nguội cần thiết tương đối lớn, thường thuận tiện hơn khi sử dụng bộ làm nguội ngưng tụ riêng biệt.

Bình gia nhiệt không tích trữ bằng hơi

Thiết kế phổ biến cho bình gia nhiệt không tích trữ hơi-nước được thể hiện trong Hình 2.13.4. Đây là loại trao đổi nhiệt ống vỏ ‘một lượt vỏ hai lượt ống’ và bao gồm bó ống chữ U được lắp vào tấm ống cố định.

Nó được gọi là có ‘một lượt vỏ’ vì đầu vào và đầu ra của chất lỏng thứ cấp ở hai đầu khác nhau của trao đổi nhiệt, do đó chất lỏng phía vỏ chỉ đi qua chiều dài đơn vị một lần. Nó được gọi là có hai lượt ống vì đầu vào và đầu ra hơi ở cùng một đầu của trao đổi nhiệt, sao cho chất lỏng phía ống đi qua chiều dài đơn vị hai lần.

Vách ngăn lượt (còn gọi là vách ngăn hoặc tấm chia) chia đầu chia của trao đổi nhiệt, sao cho chất lỏng phía ống được chuyển hướng qua bó ống chữ U thay vì đi thẳng qua đầu chia. Đây là thiết kế tương đối đơn giản và rẻ vì chỉ cần một tấm ống, nhưng nó bị giới hạn trong việc sử dụng cho các chất lỏng tương đối sạch vì ống khó vệ sinh hơn. Lưu ý; khó thay thế ống hơn với loại trao đổi nhiệt này. Các vách ngăn thường được cung cấp trong vỏ, để hướng dòng chất lỏng phía vỏ qua các ống, cải thiện tốc độ truyền nhiệt, và để đỡ các ống. Khởi động từ lạnh Như đã đề cập trong Mô-đun 2.7, tải trọng khởi động thường có thể bị bỏ qua nếu nó hiếm khi xảy ra hoặc nếu thời gian để đạt đầu ra tải trọng đầy đủ không quan trọng. Vì lý do này, van điều khiển và trao đổi nhiệt thường được định cỡ dựa trên tải trọng đầy đủ cộng với hệ số an toàn thông thường. Với các hệ thống tắt vào ban đêm và cuối tuần, nhiệt độ nước thứ cấp có thể thấp khi khởi động vào buổi sáng mùa đông lạnh, và tốc độ ngưng tụ trong bình gia nhiệt sẽ cao hơn điều kiện tải trọng đầy đủ. Do đó, áp suất trong không gian hơi có thể thấp hơn đáng kể so với áp suất mà trao đổi nhiệt thường hoạt động, cho đến khi nhiệt độ đầu vào thứ cấp tăng lên giá trị thiết kế. Từ quan điểm nhiệt, điều này có thể không gây ra vấn đề - hệ thống đơn giản mất nhiều thời gian hơn để khởi động. Tuy nhiên, nếu nhà thiết kế đã không tính đến tình huống này, hệ thống bẫy hơi và xả ngưng tụ không đầy đủ có thể gây ra ngưng tụ tích tụ trong không gian hơi. Điều này có thể gây ra:

• Ăn mòn bên trong.
• Ứng suất cơ học do biến dạng.
• Tiếng ồn, do va đập nước. Những điều này sẽ gây ra vấn đề cho trao đổi nhiệt không được thiết kế để chịu các điều kiện như vậy. Ước tính tải trọng gia nhiệt Tòa nhà - Một phương pháp thực tế, chủ quan để ước tính tải trọng gia nhiệt là nhìn vào chính tòa nhà. Tính toán có thể phức tạp, liên quan đến các yếu tố như số lần thay đổi không khí và tốc độ truyền nhiệt qua tường hốc, cửa sổ và mái. Tuy nhiên, ước tính hợp lý thường có thể thu được bằng cách lấy tổng thể tích tòa nhà và đơn giản cho phép 30 - 40 W/m³ không gian lên đến 3 000 m³, và 15 - 30 W/m³ nếu trên 3 000 m³. Điều này sẽ cho ước tính hợp lý về tải trọng gia nhiệt khi nhiệt độ ngoài trời khoảng điều kiện thiết kế -1°C. Một cách thực tế để xác định lượng tiêu thụ hơi cho lắp đặt hiện có là sử dụng đồng hồ đo lưu lượng hơi chính xác đáng tin cậy.

Ví dụ 2.13.2

Xác định công suất thiết kế của bình gia nhiệt từ điều kiện đo thực tế Công suất thiết kế của bình gia nhiệt không rõ, nhưng tải trọng hơi được đo là 227 kg/h khi nhiệt độ ngoài trời là 7 °C và nhiệt độ trong nhà là 19 °C, chênh lệch 12 °C. Bình gia nhiệt cũng được thiết kế để cung cấp nhiệt độ trong nhà 19 °C khi nhiệt độ ngoài trời là -1 °C, chênh lệch 20 °C. Tải trọng hơi ở điều kiện thiết kế có thể được ước tính đơn giản bằng tỷ lệ chênh lệch nhiệt độ:

Bình gia nhiệt tích trữ nước nóng

Bình gia nhiệt tích trữ nước nóng được thiết kế để nâng nhiệt độ toàn bộ nội dung từ lạnh lên nhiệt độ tích trữ trong một khoảng thời gian quy định. Tốc độ ngưng tụ hơi trung bình trong quá trình khởi động hoặc phục hồi có thể được tính bằng Phương trình 2.13.1

Ví dụ 2.13.2 Tính tải trọng hơi trung bình của bình gia nhiệt tích trữ Bình gia nhiệt tích trữ có dung tích 2 272 lít (2 272 kg), và được thiết kế để nâng nhiệt độ nước này từ 10°C lên 60°C trong ½ giờ với hơi ở 2 bar g. cp cho nước = 4,19 kJ/kg °C

Giá trị trung bình này có thể được sử dụng để định cỡ van điều khiển. Tuy nhiên, khi nhiệt độ nước có thể ở giá trị thấp nhất, ví dụ 10 °C, tốc độ ngưng tụ cao của hơi có thể nhiều hơn van điều khiển mở hoàn toàn có thể cho qua, và cuộn dây sẽ bị thiếu hơi. Áp suất trong cuộn dây sẽ giảm đáng kể, với hiệu ứng ròng là giảm dung lượng của thiết bị bẫy hơi. Nếu thiết bị bẫy hơi được định cỡ hoặc chọn sai, ngưng tụ có thể dồn lại vào cuộn dây, giảm khả năng truyền nhiệt và đạt thời gian khởi động cần thiết. Va đập nước có thể xảy ra, gây ra tiếng ồn nghiêm trọng và ứng suất cơ học cho cuộn dây. Tuy nhiên, nếu ngưng tụ không được phép dồn lại vào cuộn dây, hệ thống vẫn nên duy trì thời gian khởi động đúng.

Giải pháp là đảm bảo xả ngưng tụ đúng cách. Điều này có thể đạt được bằng bẫy hơi hoặc bơm-tự động tùy thuộc vào nhu cầu hệ thống. (Tham khảo Mô-đun 13.1 - Trao đổi Nhiệt và Stall).

Các loại gia nhiệt ống vỏ khác

Trong các trao đổi nhiệt khác sử dụng hơi, đầu nổi bên trong có thể được sử dụng, linh hoạt hơn đầu cố định của trao đổi nhiệt ống chữ U. Chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng có chênh lệch nhiệt độ lớn hơn giữa hơi và chất lỏng thứ cấp. Vì bó ống có thể được tháo ra, chúng có thể được vệ sinh dễ dàng hơn. Chất lỏng phía ống thường được hướng chảy qua nhiều lượt để tăng chiều dài đường đi. Trao đổi nhiệt thường được chế tạo với từ một đến mười sáu lượt ống, và số lượt được chọn để đạt vận tốc phía ống thiết kế. Các ống được sắp xếp thành số lượt cần thiết bằng cách chia đầu chia bằng nhiều vách ngăn. Hai lượt vỏ đôi khi được tạo bằng cách lắp vách ngăn phía vỏ dọc theo trung tâm của trao đổi nhiệt, nơi chênh lệch nhiệt độ sẽ không phù hợp cho một lượt. Sắp xếp dòng chia và dòng tách cũng được sử dụng nơi tổn thất áp suất thay vì tốc độ truyền nhiệt là yếu tố kiểm soát trong thiết kế, để giảm tổn thất áp suất phía vỏ. Hơi cũng có thể được sử dụng để bay hơi (hoặc hóa hơi) chất lỏng, trong loại trao đổi nhiệt ống vỏ được gọi là bộ tái sôi. Chúng được sử dụng trong ngành dầu khí để hóa hơi một phần sản phẩm đáy từ cột chưng cất. Những loại này có xu hướng nằm ngang, với hóa hơi trong vỏ và ngưng tụ trong ống (xem Hình 2.13.5).

Trong bộ tái sôi tuần hoàn cưỡng bức, chất lỏng thứ cấp được bơm qua trao đổi nhiệt, trong khi trong bộ tái sôi thermosyphon, tuần hoàn tự nhiên được duy trì bằng chênh lệch mật độ. Trong bộ tái sôi kettle, không có tuần hoàn chất lỏng thứ cấp, và các ống được ngâm trong bể chất lỏng.

Bảng 2.13.3 Hệ số truyền nhiệt điển hình cho một số trao đổi nhiệt ống vỏ

Mặc dù mong muốn đạt ngưng tụ dạng giọt trong tất cả các ứng dụng này, thường khó duy trì và không thể dự đoán được. Để thực tế, tính toán thiết kế thường dựa trên giả định ngưng tụ dạng phim.

Diện tích truyền nhiệt cho trao đổi nhiệt ống vỏ có thể được ước tính bằng Phương trình 2.5.3. Mặc dù các đơn vị này cũng thường được xác định thông qua tư vấn với nhà sản xuất, một số hệ số truyền nhiệt tổng thể điển hình khi hơi được sử dụng làm môi trường gia nhiệt (và bao gồm dự phòng cho bám bẩn) được cung cấp trong Bảng 2.13.3, như hướng dẫn.

Trao đổi nhiệt ống gợn sóng

Một tiến hóa trong thiết kế trao đổi nhiệt ống vỏ truyền thống, là phát triển gần đây của trao đổi nhiệt ống gợn sóng. Đây là trao đổi nhiệt tấm cố định một lượt với vỏ hàn, và các ống gợn sóng thẳng phù hợp cho chất lỏng độ nhớt thấp. Theo cách tương tự như trao đổi nhiệt dạng tấm, các ống gợn sóng thúc đẩy điều kiện vận hành rối giúp tối đa hóa truyền nhiệt và giảm bám bẩn. Giống như trao đổi nhiệt ống vỏ truyền thống, các đơn vị này thường được lắp ngang. Tuy nhiên, trong trao đổi nhiệt ống gợn sóng, hơi nên luôn ở phía vỏ.

Trao đổi nhiệt xoắn ốc

Trao đổi nhiệt xoắn ốc chia sẻ nhiều đặc điểm tương tự với trao đổi nhiệt ống vỏ và dạng tấm và được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự. Chúng bao gồm các tấm kim loại chế tạo được gia công nguộn và hàn để tạo thành một cặp kênh xoắn ốc đồng tâm, được đóng bằng các tấm cuối gioăng bu lông vào vỏ ngoài. Sự rối trong các kênh thường cao, với đặc tính dòng chảy giống nhau cho cả hai chất lỏng. Chúng cũng tương đối dễ vệ sinh và có thể được sử dụng cho các chất lỏng bám bẩn nặng và bùn. Việc sử dụng chỉ một lượt cho cả hai chất lỏng, kết hợp với sự nhỏ gọn của đơn vị, có nghĩa là tổn thất áp suất qua các kết nối thường khá thấp.