THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT (heat exchangers)

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệtPhân loại theo công dụng: bầu ngưng, bầu hâm, bầu làm mát hay còn gọi là sinh hàn và bầu chưng cất nước ngọt.. Không khí bên ngoài có thể lọt vào bầu ng

1.2 Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt

Xét một bề mặt rắn bất kỳ có diện tích F (m2) ,độ dày δ (m) trong một thiết bị trao đổi nhiệt Nhiệt lượng truyền từ chất trao nhiệt tới chất nhận nhiệt được tính như sau:

1.3 Chức năng của các thiết bị trao đổi nhiệt dưới tàu thủy

Hâm dầu FO phục vụ máy chính, máy phát điện, nồi hơi…

Làm mát dầu nhờn động cơ

Hâm nước cấp nồi hơi

Làm mát nước ngọt máy chính, máy phát điện

Làm mát không khí tăng áp động cơ

Hâm nhiên liệu và dầu nhờn trước khi lọc

Hâm sấy không khí phục vụ thuyền viên

Hâm nước nóng phục vụ sinh hoạt

Sản xuất nước ngọt phục vụ sinh hoạt

1.4 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

Phân loại theo công dụng: bầu ngưng, bầu hâm, bầu làm mát (hay còn gọi là sinh hàn) và bầu chưng cất nước ngọt

Phân loại theo hình dáng bên ngoài: thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng và đặt nằm

Phân loại theo kết cấu: thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và dạng tấm Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lại được phân loại thành thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống thẳng, dạng ống chữ U, dạng ống lồng và thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn

 Phân loại theo sự hoàn nhiệt: gồm có thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hoàn nhiệt (chất trao nhiệt cũng chính là chất nhận nhiệt) và thiết bị trao đổi nhiệt kiểu không hoàn nhiệt (chất trao nhiệt và chất hoàn nhiệt là hai loại công chất khác nhau).

 Phân loại theo dòng chuyển động của công chất: gồm có chuyển động một chiều (cùng chiều, ngược chiều hoặc giao nhau), chuyển động hai chiều, nhiều chiều và chuyển động hỗn hợp.

1.5 Các loại thiết bị trao đổi nhiệt dưới tàu thủy

Thiết bị ngưng tụ

 Thiết bị ngưng tụ

1.Đường nước biển vào

2.Đường nước biển ra

3 Hơi nước vào

4 Ống nước làm mát

5 mặt sàng

6 nắp bầu

7 Bơm nước ngưng

8 Bơm nước biển

9 bơm chân không

10 Bộ làm lạnh không khí

 Bầu hâm

 Bầu làm mát (bầu sinh hàn)

 Thiết bị chưng cất

1 Nguồn gia nhiệt

2 Khoang bay hơi

3 Bình ngưng

4 Bơm hút chân không

5 Nước làm mát

6 Bơm nước ngưng

7 Nước biển vào

8 Bơm hút nước muối

 Thiết bị chưng cất

1.6 Yêu cầu đối với thiết bị trao đổi nhiệt tàu thủy

Hệ số truyền nhiệt có giá trị càng lớn càng tốt.

2.1.2 Độ chân không trong bầu ngưng

Độ chân không trong bầu ngưng là phần chênh lệch áp suất giữa áp suất khí quyển và áp suất tuyệt đối trong bầu ngưng.

h = b – p

Độ chân không ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt giáng của chu trình thiết bị động lực hơi nước, ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của tuabin hơi và của toàn bộ hệ

động lực.

Hiệu suất nhiệt:

Suất tiêu hao hơi: (kg/kJ)

Sơ đồ bố trí thiết bị đo độ chân không trong bầu ngưng

2.1.3 Lượng không khí trong bầu ngưng

Trong bầu ngưng không phải chỉ chứa mỗi hơi nước Không khí bên ngoài có thể lọt vào bầu ngưng qua các vị trí như: chỗ nối, chỗ lắp ráp không kín… tạo thành một lượng không khí hòa lẫn với hơi nước trong bầu ngưng.

Nếu gọi Gkk (kg/h) là lượng hơi nước lọt vào bầu ngưng trong 1 giờ, Gh là lượng hơi nước ngưng tụ trong 1 giờ thì:

ε = Gkk/Gh (%) Được gọi là hàm lượng không khí tương đối.

2.1.4 Hỗn hợp hơi nước – không khí và nhiệt độ hơi trong bầu ngưng

Pkk = 0,622.ε.PhTheo chiều hơi nước ngưng tụ, ε tăng dần và áp suất tổng P giảm dần vì Phgiảm dần còn Pkk tăng dần Ph giảm dần thì th cũng giảm đi tương ứng.

2.1.5 Độ quá lạnh của nước ngưng

1

3 2

3 – Đường thải hỗn hợp hơi nước - không khí

Độ chênh giữa nhiệt độ hơi bão hòa (th) ở áp suất P của hỗn hợp hơi nước - không khí khi đi vào bình ngưng và nhiệt độ nước ngưng tụ (tk) gọi là độ quá lạnh của nước ngưng.

∆tk = th – tk ( o C)

Độ quá lạnh phụ thuộc vào:

Kết cấu bầu ngưng

Tải trọng bầu ngưng

Nhiệt độ nước làm mát

Chất lượng của việc hút không khí, tuần hoàn nước làm mát, hệ thống nước ngưng.

Chế độ bảo quản

2.1.6 Độ hòa tan của ôxy và các khí khác vào trong nước

Theo định luật Genpi: lượng không khí hay chất khí khác b(mg/l) hòa tan vào trong nước đến mức bão hòa tỷ lệ thuận với hệ số hòa tan của khí ψk[(mg/l)/Kpa] và áp suất riêng phần của khí Pk’(kPa) trên bề mặt của nước

b = ψk.Pk’

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lượng hòa tan không khí (Pkk), ôxy (Po2) và khí axít cácbonic (Py) vào nhiệt độ của nước ở áp suất khí quyển.

2.1.7 Khối lượng hỗn hợp hơi nước – không khí được thải ra khỏi bình ngưng

Hỗn hợp hơi nước - không khí được thải ra khỏi bình ngưng ở bộ làm lạnh không khí Khi nhiệt độ giảm, thể tích hỗn hợp hơi nước - không khí giảm nên năng suất và chi phí năng lượng của thiết bị hút khí giảm.

Gọi Ghh (Kg/h) là số lượng của hỗn hợp hơi nước-không khí được thải ra khỏi bầu ngưng

Ta có: Ghh = Gkk+ Gh” = (1 + 0,622.Ph”/Pkk”)Gkk

Thể tích của hỗn hợp thải ra: Vhh= Vkk= Vh” = (Rkk.Tkk.Gkk)/Pkk”

Lượng hơi thải ra ngoài cùng hỗn hợp là: Gh” = Vh”/vh = Vhh/vh

Trong đó vh (m3/kg) là thể tích riêng của hơi bão hòa ở nhiệt độ của hỗn hợp ra

thh.

2.2 Phân loại bầu ngưng

Theo công chất ngưng tụ: bầu ngưng hơi nước, bầu ngưng công chất lạnh

Theo công dụng: bầu ngưng chính, bầu ngưng phụ, bầu ngưng ở các thiết bị chưng cất nước

Theo quá trình trao đổi nhiệt: bầu ngưng hỗn hợp, bầu ngưng gián tiếp

Theo áp suất bầu ngưng: bầu ngưng áp suất, bầu ngưng chân không

Theo hệ thống xả không khí và khí không ngưng tụ: bầu ngưng không có hệ thống xả khí, bầu ngưng có hệ thống xả khí

Theo chiều chuyển động của nước làm mát: bầu ngưng 1 chiều, bầu ngưng đổi chiều 1 lần, bầu ngưng đổi chiều nhiều lần

Theo dòng hơi đi: bầu ngưng có dòng hơi đi xuống, dòng hơi đi lên, dòng hơi đi sang 2 bên và dòng hơi đi vào tâm

Theo cấu tạo: bầu ngưng dạng ống và bầu ngưng dạng tấm

Hơi ngưng

Nước ngưng

Bầu ngưng hỗn hợp

Bầu ngưng đổi chiều 1 lầnBầu ngưng 1 chiều

Bầu ngưng đổi chiều nhiều lần

Hơi

Hơi

Bầu ngưng có dòng hơi đi xuống (a) và đi lên (b)

(4)

(3)(2)

Không khíKhông khí

Nước ngưngNước ngưng

(4)

Bầu ngưng có dòng hơi đi sang 2 bên (c) và đi vào tâm (d)

(1)

(1)

(2)(2)

(3)

2.3 Cấu tạo bầu ngưng

Một số điểm cần lưu ý khi thiết kế bầu ngưng:

Nếu khối lượng và tốc độ hơi vào BN lớn thì dãy ống đầu tiên bố trí theo hướng kính với bước ống lớn

Để tăng hệ số truyền nhiệt thì các ống dãy phía trên có thể bố trí các tấm chắn phụ Các ống phía dưới cần được cách ly mực nước ngưng

Diện tích bề mặt bộ phận làm lạnh không khí bằng 4-5% cho mỗi phía khi không khí được thải ra

2 phía của bầu ngưng, còn thải 1 phía hay ở tâm thì giá trị đó bằng 5-7 % diện tích bề mặt làm mát chung

Muốn tháo đồng thời hỗn hợp hơi nước-không khí không ngưng tụ thì ống hút sẽ bổ trí ở đoạn giữa 2 mặt sàng

Trong bộ phận thu nước ngưng, trên đường ống dẫn tới bơm hút nước ngưng đặt 1 gờ chắn nước để ngăn ngừa sự xâm nhập của hơi vào bơm

2.3.1 Kết cấu thân hơi

Thân hơi của các bầu ngưng tàu biển thường được chế tạo bằng thép hàn

Trong thời gian làm việc, thân hơi chịu tác dụng:

Ứng suất cơ do sự chênh áp giữa áp suất của khí quyển và áp suất hơi trong bầu ngưng

Ứng suất nhiệt

Do vậy, yêu cầu cơ bản đối với thân bầu là cứng, vững chắc và kín, cho nên thân bầu ngưng chính của tàu tua bin được chế tạo bằng thép với độ dày từ 10÷16mm và có các gờ cứng gia cường bố trí phía bên trong và bên ngoài

Ngoài ra, để chống ăn mòn bề mặt bên trong của thân bầu ngưng người ta phủ một lớp bảo vệ như sơn chống gỉ

2.3.2 Bộ phận bù trừ

Bộ phận bù trừ dùng để khắc phục hiện tượng

dãn dài không đều giữa thân bầu và các ống

2.3.3 Gối tựa lò xo của bầu ngưng (để cố định bầu ngưng với nền móng)

Việc cố định bầu ngưng với nền móng phụ thuộc vào dạng liên kết giữa tua bin với bầu ngưng, nếu thân bầu ngưng và tua bin liên kết với bệ đỡ là cứng thì người ta sử dụng mối nối uốn cong hoặc trên thân bầu ngưng người ta dùng một số gối tựa mà miệng lỗ bulông dưới móng có hình ôvan để khi có sự giãn dài do nhiệt của thân hơi thì nó sẽ trượt theo bề mặt móng Khi bầu ngưng với tua bin đặt trên nền móng riêng biệt, bầu ngưng được lắp ráp trên các gối tựa lò xo

1 Vấu của bầu ngưng

2 Thân bầu ngưng

3 Long đen

4 Bulông điều chỉnh

5 Bệ

2.3.4 Mặt sàng

Được dùng để cố định cụm ống trao đổi nhiệt trong thân bầu, nó được chế tạo từ thép cán hoặc đồng chì Để đảm bảo độ cứng, độ kẹp chặt, độ kín ống thì bề dày mặt sàng thường từ 20÷35mm Bích nối của thân bầu ngưng (3), mặt sàng (2) và nắp (1) được cố định nhờ bulông như hình vẽ

1 Nắp

2 Mặt sàng

3 Bích nối thân bầu ngưng

2.3.6 Nắp bầu

Các nắp bầu do tiếp xúc với nước biển nên thường được chế tạo bằng gang có độ bền cao để giảm sự ăn mòn người ta phủ một lớp chống ăn mòn lên bề mặt tiếp xúc với phía nước biển và có gắn các miếng kẽm chống ăn mòn

Ở các bầu ngưng mà đường nước biển đi theo hai hành trình, thì nắp trước không có vách ngăn và không có các ống nối nước làm mát vào, ra, còn nắp sau chia thành hai phần bằng 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

2.3.7 Mặt sàng trung gian

Với các bầu ngưng lớn và dài, để ngăn ngừa ống võng xuống, người ta thường bố trí các mặt sàng trung gian, nó được chế tạo từ thép không gỉ (stainless steel) hoặc đồng thau (brass) với độ dày từ 15÷20mm và được cố định trong thân bầu nhờ các bulông hay hàn với các miệng góc bố trí trên 4÷6 điểm theo chu vi thân bầu ngưng, sự bố trí lỗ ống trong mặt sàng trung gian giống hệt như

sự bố trí lỗ ống trong mặt sàng chính, đường kính lỗ ống trên mặt sàng trung gian lớn hơn đường kính ngoài của ống là 0,2÷0,3mm

2.3.8 Các ống trao đổi nhiệt và phương pháp cố định ống lên mặt sàng

Được chế tạo từ hợp kim

đồng-niken hoặc nhôm Các ống

được cố định lên mặt sàng

bằng phương pháp nong ống

Cố định ống với mặt sàng:

Cố định ống lên mặt sàng cần đảm bảo độ kín, mối liên kết phải chặt

Phương pháp cố định ống lên mặt sàng là nong ống

Phần nong ống phải thực hiện theo chiều sâu là 0,8 ÷ 0,9 độ dày mặt sàng

Mép lỗ trên mặt sàng cần làm cong hoặc vát mép

Độ kín, độ bền của mối nối phải được đảm bảo khi mức nong

ρ = 1 ÷ 1,5 % ρ = (∆1 - ∆2)100/do (%)

∆1(mm) là độ tăng đường kính trong của ống sau khi nong

∆2 = do – d2 là độ chênh lệch giữa đường kính lỗ trên mặt sàng và đường kính ngoài ống trước lúc nong, ∆2 = (1,5 ÷ 3)do/100

do(mm) là đường kính lỗ trên mặt sàng trước lúc nong

Để kiểm tra mối nong dùng calíp sau khi nong

Độ bền của mối nong được tăng lên khi gấp mép đầu

Ngoài ra, người ta còn dùng liên kết ống và mặt sàng bằng các vòng làm kín

2.4 Khai thác và bảo dưỡng bầu ngưng

2.4.1 Công tác chuẩn bị và đưa bầu ngưng vào làm việc

1 Công tác chuẩn bị

Trước khi đưa bầu ngưng vào làm việc cần phải vệ sinh sạch sẽ xung quanh và tiến hành:

Kiểm tra tình trạng sẵn sàng của các thiết bị

Kiểm tra kỹ lưỡng trạng thái bề mặt ngoài của thân và nắp để phát hiện các vết nứt, khuyết tật để kịp thời sửa chữa

Kiểm tra trạng thái kỹ thuật của các bơm nước làm mát, bơm nước ngưng, bơm tạo độ chân không

Kiểm tra và hiệu chỉnh các đồng hồ chân không kế, áp kế, nhiệt kế, lưu lượng kế

Kiểm tra các van an toàn, van xả khí và các van chặn ở các vị trí làm việc sẵn sàng

Kiểm tra các mối lắp ghép, các gioăng làm kín, nếu phát hiện hư hỏng, dò rỉ thì phải thay thế hoặc xiết chặt hơn

Kiểm tra chất lượng của kẽm chống ăn mòn

Mở van xả nước đọng, nước ngưng

2 Công tác đưa bầu ngưng vào làm việc

Sau khi kiểm tra trạng thái sẵn sàng làm việc của bầu ngưng và các thiết bị của hệ thống ta tiến hành đưa bầu ngưng vào làm việc theo các bước sau:

Mở các van chặn trên đường ống nước biển làm mát BN và khởi động bơm nước biển làm mát

BN, điều chỉnh áp suất và lưu lượng cho phù hợp với chế độ tải của bầu ngưng

Mở van chặn và khởi động bơm hút chân không (bơm phun tia, bơm chân không vòng nước…)

Tiến hành tạo chân không cho bầu ngưng trong vòng 15 ÷ 20 phút (thời gian này tùy thuộc vào loại bầu ngưng)

Khi độ chân không đạt yêu cầu, mở van chặn trên đường nước ngưng rồi mở van hơi vào bầu ngưng

Khi nước ngưng xuất hiện trên đường ống nước ngưng thì khởi động bơm hút nước ngưng

2.4.2 Kiểm tra chất lượng và điều chỉnh chế độ công tác của bầu ngưng

1 Các thông số công tác cần phải quan tâm trong khi bầu ngưng làm việc

Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng hơi vào bình ngưng

Nhiệt độ vào và ra, áp suất, lưu lượng nước làm mát

Áp suất và lưu lượng không khí được hút ra khỏi BN

Các thông số trên được chỉ thị trên các thiết bị đo gắn trên bầu ngưng và buồng điều khiển trung tâm

2 Điều chỉnh độ chân không trong bầu ngưng

Trong khi bầu ngưng làm việc cần theo dõi và điều chỉnh độ chân không trong bình ngưng

Nếu lưu lượng nước làm mát và năng suất của thiết bị hút khí không thay đổi thì độ chân không trong bầu ngưng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Phụ tải của bầu ngưng

Nhiệt độ nước làm mát bầu ngưng

Lượng không khí xuất hiện trong bầu ngưng

3 Đánh giá chất lượng công tác của bầu ngưng

Đánh giá chất lượng công tác của bình ngưng thông qua các giá trị nhiệt độ sau:

Nhiệt độ của hơi vào bầu ngưng (th)

Nhiệt độ của nước ngưng ra khỏi bầu ngưng (tk)

Nhiệt độ nước làm mát vào bầu ngưng (tv)

Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi bầu ngưng (tr)

∆tk = th – tk (bằng 0,5 ÷ 1 với bầu ngưng hiện đại, 4 ÷ 8 với bầu ngưng cũ)

∆tlm = tr – tv (bằng 6 ÷ 10 với hệ động lực tuabin hơi, 20 ÷ 25 với máy hơi nước cũ)

2.4.3 Dừng bầu ngưng

Sau khi dừng tua bin hơi hoặc động cơ hơi nước ta tiến hành dừng bầu ngưng theo các bước:

Đóng tất cả các van chặn dẫn hơi đến bầu ngưng

Đóng các van chặn vào bơm phun tia

Dừng bơm nước ngưng

Dừng bơm nước làm mát bầu ngưng

Đóng các van chặn dẫn nước làm mát vào và ra khỏi bầu ngưng

3.1.2 Công dụng của bầu làm mát

 Dùng để làm mát dầu nhờn

 Dùng để làm mát nước ngọt làm mát cho động cơ Diesel lai máy chính, máy đèn

 Dùng để làm mát gió tăng áp cho động cơ

 Dùng để làm mát không khí nén giữa các cấp nén của máy nén và trước khi nạp vào chai gió

3.2 Phân loại bầu hâm và bầu làm mát

3.2.1 Phân loại bầu hâm (tham khảo phần phân loại thiết bị trao đổi nhiệt)

1 Phân loại theo công dụng

Bầu hâm nhiên liệu

Bầu hâm dầu nhờn

Bầu hâm nước ngọt

Bộ sưởi không khí

2 Phân loại theo cấu tạo

Bầu hâm dạng ống: gồm có bầu hâm kiểu ống thẳng, ống lồng, ống chữ U và ống xoắn

Bầu hâm dạng tấm

3 Phân loại theo cách bố trí

 Bầu hâm đặt đứng

 Bầu hâm đặt nằm

4 Phân loại dựa theo hướng dòng chảy của công chất

 Bầu hâm kiểu hai dòng công chất chuyển động song song: gồm có chuyển động cùng chiều và ngược chiều

 Bầu hâm kiểu hai dòng công chất chuyển động giao nhau: gồm có chuyển động giao nhau một lần và nhiều lần

3.2.2 Phân loại bầu làm mát (tham khảo phần phân loại thiết bị trao đổi nhiệt)

1 Phân loại theo công dụng

 Bầu làm mát dầu nhờn (Sinh hàn dầu nhờn)

 Bầu làm mát không khí (Sinh hàn gió tăng áp),

 Bình làm mát trung gian (Sinh hàn gió nén)

 Bầu làm mát nước ngọt (Sinh hàn nước ngọt)

2 Phân loại theo cấu tạo

 Bầu làm mát dạng ống: gồm có bầu hâm kiểu ống thẳng, ống chữ U và ống xoắn

 Bầu làm mát dạng tấm

3 Phân loại theo cách bố trí

 Bầu hâm đặt đứng

 Bầu hâm đặt nằm

4 Phân loại dựa theo hướng dòng chảy của công chất

 Bầu hâm kiểu hai dòng công chất chuyển động song song: gồm có chuyển động cùng chiều và ngược chiều

 Bầu hâm kiểu hai dòng công chất chuyển động giao nhau: gồm có chuyển động giao nhau một lần và nhiều lần