Chương 1: TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ NHIỆT THẢI VÀ VIỆC THU HỒI NHIỆT THẢI 1. KHÁI NIỆM CHUNG Nhiệt thải là phần năng lượng dưới dạng nhiệt năng được thải bỏ ra ngoài môi trường sau một quá trình sử dụng năng lượng bất kỳ [1]. Nhiệt lượng được thải bỏ ra ngoài môi trường này có thể xuất phát từ các động cơ nhiệt trong quá trình hoạt động hay được tạo ra từ các quá trình trong công nghiệp.
Nhiệt thải công nghiệp là phần năng lượng được tạo ra trong các quá trình công nghiệp và không được đưa vào sử dụng trong thực tế. Các nguồn nhiệt thải có thể là khí thải trong các quá trình đốt, nước nóng được thải bỏ trong các quá trình công nghiệp hoặc nhiệt truyền qua vách các thiết bị trao đổi nhiệt đi vào môi trường. Người ta vẫn chưa thể định lượng chính xác số lượng nhiệt thải trong công nghiệp, nhưng nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng 20 - 50% năng lượng tiêu thụ trong công nghiệp cuối cùng đã được thải bỏ ra ngoài dưới dạng nhiệt thải [11]. Tổn thất nhiệt trong các quá trình công nghiệp là điều không thể tránh khỏi, tuy nhiên người ta vẫn có thể có nhiều cách để làm giảm thiểu thành phần này như nâng cao hiệu suất của thiết bị hay thu hồi nhiệt thải.
Thu hồi nhiệt thải là một giải pháp tích cực trong xu hướng tiết kiệm năng lượng mà nhân loại đang hướng đến. Tuy nhiên, cũng cần phải thấy rằng không phải bất kỳ nguồn nhiệt thải nào cũng có thể thu hồi được. Để làm cho quá trình thu hồi nhiệt thải mang tính khả thi, người ta không chỉ cần chú ý đến đặc điểm của nguồn nhiệt thải như chủng loại, thành phần hoá học hay các thông số cơ bản của nguồn nhiệt thải (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) mà còn phải chú ý đến cả những đặc điểm về phía sử dụng như mục đích, quy mô sử dụng, sơ đồ công nghệ hay hiệu quả kinh tế - kỹ thuật chung của cả hệ thống. Thu hồi nhiệt thải có thể được thực hiện bằng cách trực tiếp hay gián tiếp.
Trong đa số các trường hợp, người ta thường thu hồi nhiệt thải một cách gián tiếp GVHD1: TS HÀ ANH TÙNG GVHD2: GS. TS LÊ CHÍ HIỆP HVTH: NGUYỄN TRUNG KIÊN 2 thông qua các bộ trao đổi nhiệt. Thu hồi nhiệt thải một cách trực tiếp đòi hỏi nguồn nhiệt phải đảm bảo độ sạch và không gây ra ăn mòn. Tận dụng tốt nhiệt thải có thể làm giảm chi phí hoạt động của nhà máy nhờ vào việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.
Ở một khía cách khác, có thể thấy việc tận dụng tốt nhiệt thải cũng góp phần đáng kể vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường cho cộng đồng. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC THU HỒI NHIỆT THẢI Như đã trình bày ở trên, để việc thu hồi nhiệt nhiệt thải mang tính khả thi, ta cần chú ý đến cả đặc điểm của nguồn nhiệt thải và đặc điểm về phía sử dụng nguồn nhiệt thải đó. Những yếu tố quan trọng nhất trong quá trình thu hồi nhiệt thải có thể kể đến: Lượng nhiệt thu hồi; Chất lượng (nhiệt thế) của nguồn nhiệt; Thành phần hoá học; Nhiệt độ cho phép tối thiểu; Mục đích, quy mô, công nghệ và hiệu quả kinh tế kỹ thuật chung của hệ thống thu hồi nhiệt thải.1 Lượng nhiệt thu hồi Trong bất kỳ trường hợp thu hồi nhiệt thải nào cũng cần phải biết khối lượng nhiệt có thể thu hồi được và khối lượng sử dụng được. Tổng nhiệt lượng có thể thu hồi được tính theo công thức sau: =.
( ) Trong đó: Q - nhiệt lượng thu hồi (kW); m - khối lượng nhiệt thải (kg/giờ); GVHD1: TS HÀ ANH TÙNG GVHD2: GS. TS LÊ CHÍ HIỆP HVTH: NGUYỄN TRUNG KIÊN 3 I(t) - enthalpy của nhiệt thải (kJ/kg), là hàm số của nhiệt độ t.2 Nhiệt thế nguồn nhiệt Đối với các nguồn nhiệt thải, điều đáng quan tâm đầu tiên không phải là số lượng mà là chất lượng của các nguồn nhiệt thải. Chất lượng nguồn nhiệt thải chính là thước đo tính hữu dụng của nguồn nhiệt thải đó. Trong trường hợp này, người ta dùng nhiệt độ để đánh giá chất lượng của nguồn nhiệt thải.
Tuỳ theo mức nhiệt độ, người ta chia các nguồn nhiệt thải ra làm 3 loại: nhiệt thế cao, nhiệt thế trung bình và nhiệt thế thấp.1 trình bày một số loại nhiệt thải và các mức nhiệt độ tương ứng: Bảng 1.1 [1] Khoảng Nguồn gốc Nhiệt độ Nhiệt độ nhiệt độ (℃) (℉) Nhiệt thế Khói thải từ nhà máy luyện Niken 1370 - 1650 2500 - 3000 cao Khói thải từ lò nấu thuỷ tinh 1050 - 1550 1920 - 2820 Khói thải từ nhà máy luyện thép 927 - 1038 1700 - 1900 Khói thải từ nhà máy luyện kẽm 760 - 1095 1400 - 2000 Khỏi thải từ nhà máy luyện đồng 760 - 816 1400 - 1500 Khói thải từ nhà máy luyện nhôm 649 - 760 1200 - 1400 Khỏi thải từ lò đốt các chất thải rắn 650 - 1000 1200 - 1830 Khỏi thải từ nhà máy xi măng 550 - 750 1020 - 1380 Nhiệt thế Khỏi thải từ tuabin khí 370 - 550 700 - 1020 trung Khói thải từ động cơ đốt trong 316 - 500 600 - 930 bình Khói thải từ lò hơi 250 - 480 480 - 896 Khói thải từ tuabin đối áp 100 - 125 210 - 257 Nhiệt thế Nước làm mát trong lò tôi kim loại 50 - 250 122 - 282 thấp Nước làm mát động cơ đốt trong 60 - 120 140 - 248 Nước ngưng tụ tư các quá trình sản xuất 40 - 80 104 - 176 GVHD1: TS HÀ ANH TÙNG GVHD2: GS. TS LÊ CHÍ HIỆP HVTH: NGUYỄN TRUNG KIÊN 4 Nước giải nhiệt trong bình ngưng của 35 - 43 95 - 110 máy lạnh và hệ thống điều hoà không khí Nước làm mát máy nén 32 - 49 90 - 120 Mỗi loại nhiệt thải trong cách phân loại trên đây có những ưu nhược điểm riêng và ứng dụng trong các trường hợp cụ thể khác nhau. Nắm vững được những đặc điểm này sẽ làm cho quá trình ứng dụng thu hồi nhiệt thải được hiệu quả.3 Thành phần hoá học của nhiệt thải Mặc dù thành phần hoá học của nhiệt thải không ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng hay chất lượng nhiệt thải, tuy nhiên nó có ảnh hưởng đến quá trình thu hồi nhiệt thải. Thành phần hoá học của dòng nhiệt thải sẽ ảnh hưởng đến các yếu tố như độ dẫn nhiệt và nhiệt dung, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị.
Tốc độ truyền nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc vào thành phần hoá học của dòng nhiệt thải cũng như ảnh hưởng của sự bám bẩn trên thiết bị.1: Thiết bị trao đổi nhiệt bị hư hỏng sau khi sử dụng trong lò luyện nhôm [11] GVHD1: TS HÀ ANH TÙNG GVHD2: GS. TS LÊ CHÍ HIỆP HVTH: NGUYỄN TRUNG KIÊN 5 Ngoài ra còn phải chú đến khả năng tương tác hoá học giữa các thành phần khói thải và vật liệu làm thiết bị trao đổi nhiệt. Đây cũng là một vấn đề thường gặp phải đối với các thiết bị trao đổi nhiệt nhằm thu hồi nhiệt thải.1 là một thiết bị trao đổi nhiệt đã bị hư hỏng sau khi sử dụng trong lò luyện nhôm. Có nhiều phương pháp để xử lý vần đề bám bẩn như lọc, sử dụng các vật liệu tốt để làm thiết bị, thiết kế những thiết bị có thể dễ dàng làm sạch.
Tuy nhiên, vấn đề bám bẩn trong các thiết bị trao đổi nhiệt vẫn là một khó khăn đối với ngành kỹ thuật nhiệt.4 Nhiệt độ tối thiểu cho phép Nhiệt độ nguồn nhiệt tối thiểu để khai thác là yếu tố có liên quan đến vấn đề ăn mòn vật liệu. Tuỳ thuộc vào nhiên liệu sử dụng trong nhà máy, khí thải sau khi đốt có thể chứa CO2, hơi nước, NOx, SOx và các khoáng chất khác nhau. Nếu khí thải được làm mát xuống dưới nhiệt độ điểm đọng sương, hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt và gây ăn mòn thiết bị. Nhiệt độ tối thiểu để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu trong nhà máy.
Phương pháp thông dụng để ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn thiết bị là thiết kế các bộ trao đổi nhiệt có nhiệt độ khí thải cao hơn nhiệt độ điểm sương. Trong một số trường hợp người ta còn sử dụng hợp kim cao cấp hay vật liệu composite trong các thiết bị trao đổi nhiệt để thu hồi nhiệt thải có nhiệt thế thấp.5 Mục đích, quy mô, công nghệ và hiệu quả kinh tế kỹ thuật chung của hệ thống thu hồi nhiệt thải Mục đích hay quy mô cũng là những yếu tố quyết định đến tính khả thi của hệ thống thu hồi nhiệt thải khi đem ứng dụng vào thực tiễn. Nếu quy mô quá nhỏ, người ta thường không thể thiết lập được các hệ thống thu hồi nhiệt thải vì lợi nhuận thu được so với chi phí bỏ ra không hấp dẫn. Vấn đề then chốt cuối cùng vẫn là hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của cả hệ thống, do đó, nhà đầu tư cần phải cân nhắc kỹ giữa các yếu tố trước khi quyết định lắp đặt một hệ thống thu hồi nhiệt thải.
GVHD1: TS HÀ ANH TÙNG GVHD2: GS. TS LÊ CHÍ HIỆP HVTH: NGUYỄN TRUNG KIÊN 6 1. TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT VÀ ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG 1. ỐNG NHIỆT Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới có khả năng truyền nhiệt đi lớn hơn nhiều lần so với các phần tử truyền nhiệt thông thường.
Nguyên tắc làm việc của ống nhiệt là sự kết hợp giữa quá trình dẫn nhiệt của kim loại và quá trình trao đổi nhiệt đối lưu khi bay hơi và ngưng tụ của môi chất. Ống nhiệt đã được phát minh từ lâu.Perkins là người đầu tiên đã sử dụng ống nhiệt trong các lò nướng bành mì và được cấp Patent liên hiệp Anh số 7059 vào năm 1936 [10]. Tuy nhiên, trong một thời gian rất dài người ta đã lãng quên nó. Kể từ sau năm 1970, do sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học nghiên cứu vũ trụ, tên lửa, lò phản ứng hạt nhân.
người ta mới chú ý đến việc cải tiến và ứng dụng nó vào trong thực tiễn vì khả năng truyền nhiệt lớn, gọn, nhẹ và có thể làm việc được cả trong điều kiện không có trọng trường.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc Ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt có không gian khép kín, bên trong chứa môi chất. Trong quá trình vận hành thiết bị, môi chất trong ống nhiệt thực hiện quá trình trao đổi nhiệt thông qua biến đổi pha là quá trình sôi và quá trình ngưng tụ.