Thiết kế & Mô phỏng ống nhiệt trọng trường thu hồi nhiệt khói thải lò hơi

Nghiên cứu tính toán, thiết kế bộ ống nhiệt trọng trường sử dụng nước. Ứng dụng thu hồi nhiệt khói thải lò hơi, kèm theo mô phỏng quá trình làm việc.

• Tác giả: Nguyễn Đình Huy
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thành Luân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Tính toán thiết kế bộ ống nhiệt trọng trường sử dụng môi chất là nước để thu hồi nhiệt khói thải lò hơi và mô phỏng quá trình làm việc của ống nhiệt
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và nguyên lý hoạt động ống nhiệt thu hồi nhiệt khói thải

Ống nhiệt trọng trường là một thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả được thiết kế để thu hồi nhiệt khói thải lò hơi. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự chuyển đổi năng lượng nhiệt từ khí thải nóng sang nước làm mát. Hệ thống này sử dụng nước làm mô i chất để tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt. Khi khí thải lò hơi đi qua ống nhiệt, nhiệt độ cao sẽ truyền sang nước chảy bên trong. Quá trình này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của lò hơi. Thiết kế này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng công nghiệp cần tiết kiệm chi phí nhiên liệu và bảo vệ môi trường.

1.1. Cấu trúc cơ bản của bộ ống nhiệt trọng trường

Bộ ống nhiệt gồm các ống dọc song song được sắp xếp trong một vỏ chứa. Nước chảy theo hướng từ dưới lên trên nhờ hiệu ứng trọng trường. Khí thải lò hơi đi qua không gian giữa các ống, trao đổi nhiệt với nước bên trong. Thiết kế này đơn giản, tin cậy và dễ bảo trì. Vật liệu ống được chọn để chịu được áp lực cao và khả năng chống ăn mòn tốt.

1.2. Ưu điểm của hệ thống thu hồi nhiệt khói thải

Hệ thống thu hồi nhiệt mang lại nhiều lợi ích thiực tế. Nó giúp giảm lượng khí thải và hạ nhiệt độ khí thải ra môi trường. Hiệu suất trao đổi nhiệt cao giúp tăng hiệu suất lò hơi từ 5-10%. Chi phí hoạt động giảm đáng kể nhờ tiết kiệm nhiên liệu. Bên cạnh đó, thiết kế không yêu cầu động lực để vận hành, thân thiện với môi trường.

II. Tính toán thiết kế bộ ống nhiệt thu hồi nhiệt

Tính toán thiết kế ống nhiệt đòi hỏi phải xác định các thông số quan trọng của hệ thống. Bước đầu tiên là xác định lượng nhiệt cần thu hồi từ khí thải lò hơi dựa trên công suất và nhiệt độ khí thải. Tiếp theo, cần tính toán diện tích trao đổi nhiệt cần thiết để đạt được mục tiêu. Cần phải chọn loại mô i chất tối ưu - trong trường hợp này là nước với các thông số đặc biệt. Tính toán bao gồm xác định số lượng ống, đường kính ống, chiều dài ống và tốc độ dòng chảy nước. Các phương trình cân bằng năng lượng và truyền nhiệt được áp dụng để đảm bảo thiết kế đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

2.1. Xác định nhiệt lượng và thông số khí thải

Lượng nhiệt khí thải được tính dựa trên công thức Q = ṁ × cp × ΔT. Trong đó ṁ là lưu lượng khối lượng khí thải, cp là độ nóng riêng, và ΔT là hiệu nhiệt độ. Cần đo đạc chính xác nhiệt độ khí thải tại đầu vào và đầu ra của hệ thống. Thông số này quyết định khả năng thu hồi nhiệt và kích thước thiết bị.

2.2. Lựa chọn và tính toán thông số ống nhiệt

Số lượng ống và đường kính ống được chọn dựa trên hiệu suất trao đổi nhiệt mong muốn. Chiều dài ống phải đủ dài để cho phép nước hấp thụ đủ nhiệt lượng. Tốc độ dòng chảy nước cần được kiểm soát để đạt số Reynolds phù hợp giúp tối ưu hóa chuyển nhiệt. Vật liệu ống thường là thép carbon hoặc thép không gỉ chịu được nhiệt độ cao và áp suất.

III. Mô phỏng quá trình làm việc và phân tích hiệu suất

Mô phỏng quá trình làm việc của ống nhiệt giúp xác thực thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất. Sử dụng các phần mềm chuyên ngành như ANSYS, COMSOL hoặc CFX để mô phỏng động lực học chất lỏng và truyền nhiệt. Mô phỏng cho phép theo dõi phân bố nhiệt độ trong ống, tốc độ dòng chảy nước tại các điểm khác nhau, và hiệu suất trao đổi nhiệt toàn bộ hệ thống. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về điểm nóng, vùng dòng chảy chậm, và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ống nhiệt. Phân tích này giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn trước khi sản xuất.

3.1. Phương pháp mô phỏng số và công cụ phần mềm

Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) được sử dụng để tính toán dòng chảy và truyền nhiệt trong ống. Lưới phần tử hữu hạn (mesh) được tạo với độ dày thích hợp để đảm bảo độ chính xác. Điều kiện biên bao gồm nhiệt độ khí thải, lưu lượng nước, và áp suất. Phần mềm tính toán giải các phương trình Navier-Stokes và năng lượng để cho kết quả hiệu suất trao đổi nhiệt chính xác.

3.2. Đánh giá hiệu suất và đề xuất cải tiến

Hiệu suất trao đổi nhiệt được tính bằng tỉ lệ giữa nhiệt thực tế thu hồi so với nhiệt lý thuyết cực đại. Phân tích kết quả cho thấy những vùng hiệu suất thấp cần được cải tiến. Tối ưu hóa thiết kế có thể bao gồm thay đổi sắp xếp ống, điều chỉnh kích thước, hoặc nâng cao tốc độ dòng chảy. Kết quả mô phỏng hỗ trợ ra quyết định thiết kế cuối cùng đạt hiệu suất cao nhất với chi phí tối ưu.

IV. Ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Ống nhiệt thu hồi nhiệt khói thải lò hơi có ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Các nhà máy nhiệt điện, nhà máy xử lý nước, và các cơ sở công nghiệp khác đều có thể lợi dụng từ hệ thống thu hồi nhiệt này để tiết kiệm năng lượng. Chi phí đầu tư ban đầu có thể được hoàn vốn trong 2-4 năm nhờ giảm chi phí nhiên liệu hàng năm. Hướng phát triển của công nghệ này bao gồm cải tiến vật liệu, nâng cao khả năng chống ăn mòn, và tối ưu hóa thiết kế với công nghệ AI. Các nghiên cứu mới cũng tập trung vào tích hợp các hệ thống lưu trữ nhiệt để tăng cường hiệu suất năng lượng toàn hệ thống.

4.1. Các ngành công nghiệp áp dụng hệ thống ống nhiệt

Ngành nhiệt điện sử dụng ống nhiệt thu hồi để tăng hiệu suất nhà máy lên tới 5-10%. Nhà máy xử lý nước áp dụng công nghệ này để sấy khô chất rắn và tiết kiệm nhiên liệu. Ngành sản xuất hóa chất và ngành luyện kim cũng tận dụng lợi ích tiết kiệm năng lượng. Các tòa nhà công cơm sử dụng hệ thống này để làm nóng nước sử dụng từ khí thải. Mỗi ứng dụng đều có yêu cầu thiết kế riêng cần được tính toán cẩn thận.

4.2. Triển vọng và xu hướng phát triển công nghệ

Các công nghệ mới như ống nhiệt vi cấu trúc và vật liệu composite đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất. Kết hợp với IoT cho phép giám sát thời gian thực và tối ưu hóa tự động. Xu hướng xanh và cam kết giảm phát thải carbons đẩy nhu cầu về công nghệ tiết kiệm năng lượng. Tối ưu hóa chi phí thông qua sản xuất hàng loạt sẽ làm cho hệ thống này trở thành giải pháp tiêu chuẩn trong các ngành công nghiệp trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về ống nhiệt Ống nhiệt là một ống có không gian khép kín, bên trong chứa môi chất hai pha để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Về cấu tạo, ống nhiệt được chia làm 3 phần: phần sôi, phần đoạn nhiệt, phần ngưng (Hình 1. Phần sôi sẽ được đốt nóng và cung cấp nhiệt cho môi chất lỏng trong ống tạo thành hơi bão hòa; hơi bão hòa từ phần sôi sẽ chuyển động qua phần đoạn nhiệt đến phần ngưng, phần đoạn nhiệt thường được bọc cách nhiệt bên ngoài cho nên không thực hiện quá trình trao đổi nhiệt; tại phần ngưng hơi bão hòa nhả nhiệt cho môi chất làm mát ở bên ngoài ống và ngưng lại. Môi chất sau khi ngưng tụ sẽ quay về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn hay lực ly tâm.

Cánh có thể được gắn vào bên ngoài phần sôi và phần ngưng để tăng diện tích bề mặt và tăng cường quá trình truyền nhiệt, tùy thuộc vào từng ứng dụng. 1 Cấu tạo ống nhiệt Ống nhiệt có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên có hai cách phân loại phổ biến là phân loại theo môi chất nạp và theo lực tác dụng để đưa chất lỏng sau khi ngưng tụ quay trở về phần sôi. Theo môi chất nạp, ống nhiệt có thể sử dụng một số môi chất đơn cử như: nước, Nitơ, NH3, Heli, Pentan, Na, R11, R113, Axeton, Pentan, Etanol,thủy ngân, Kali, Natri, bạc.

Việc lựa chọn các môi chất này phụ thuộc vào khoảng nhiệt độ làm việc của từng môi chất được thể hiện qua Bảng 1. 1 Một số môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc Nhiệt độ nóng Nhiệt độ sôi ở STT Môi chất Khoảng nhiệt độ chảy, ℃ áp suất khí quyển, ℃ làm việc, ℃ 1 Heli -272 -269 -271 ÷ -269 2 Nitơ -210 -169 -203 ÷ -160 3 Amoniac -78 -33 -60 ÷ 100 4 R11 -111 24 -40 ÷ 120 5 Nước 0 100 30 ÷ 200 6 R113 -35 48 -10 ÷ 100 7 Axeton -95 57 0 ÷ 120 8 Pentan -130 28 -20 ÷ 120 9 Methanol -98 64 10 ÷ 130 10 Etanol -112 78 0 ÷ 130 11 Heptan -90 98 0 ÷ 150 12 Thủy ngân -39 361 250 ÷ 650 13 Xedi 29 670 450 ÷ 900 14 Kali 62 774 500 ÷ 1000 15 Natri 98 892 600 ÷ 1200 16 Liti 179 1340 1000 ÷ 1800 17 Bạc 960 2212 1800 ÷ 2300 9 Theo lực tác dụng để đưa chất lỏng sau khi ngưng tụ quay trở về phần sôi, ống nhiệt được chia thành các lại đơn cử như: ống nhiệt trọng trường là loại ống nhiệt mà chất lỏng sau khi ngưng tụ được đưa về phần sôi nhờ lực trọng trường, khi hoạt động yêu cầu phần ngưng cao hơn phần sôi; ống nhiệt mao dẫn, tại đây lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi là lực mao dẫn; ống nhiệt ly tâm là loại ống nhiệt mà chất lỏng ở sau khi ngưng tụ được đưa về phần sôi nhờ lực ly tâm sinh ra khi quay ống với một tốc độ nào đó; ống nhiệt điện trường, tại đây lực đưa chất lỏng về phần sôi là lực điện trường. Ống nhiệt thẩm thấu là loại ống nhiệt sẽ đưa chất lỏng sau khi ngưng tụ về phần sôi nhờ lực thẩm thấu. Trong các loại ống nhiệt, ống nhiệt trọng trường là loại có cấu tạo đơn giản và được sử dụng phổ biến nhất trong thực tế.2 thể hiện nguyên lý làm việc của ống nhiệt trọng trường.

2 Nguyên lý làm việc của ống nhiệt trọng trường 10 Nguyên lý làm việc của ống nhiệt trọng trường: Tại phần sôi, môi chất bên trong ống nhận nhiệt sôi và hóa hơi, sau đó chuyển động đi qua phần đoạn nhiệt rồi đến phần ngưng, tại đây hơi môi chất ngưng tụ lại thành lỏng. Sau đó dưới tác dụng của trọng lực thì các hạt lỏng chuyển động từ phần ngưng về lại phần sôi. Tại phần sôi lỏng môi chất tiếp tục nhận nhiệt và quá trình cứ vậy tiếp diễn. Quá trình làm việc của ống nhiệt trọng trường được thể hiện qua Hình 1.

3 Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên đồ thị T-S Các quá trình làm việc của ống nhiệt được thể hiện trên đồ thị T-s trong đó: AB: Quá trình bay hơi đẳng áp thực hiện tại phần sôi. BC: Quá trình hơi môi chất chuyển động từ phần sôi về phần ngưng, giảm áp từ p1 xuống p2 do ma sát. CD: Quá trình ngưng tụ đẳng áp diễn ra tại phần ngưng. DA: Quá trình lỏng môi chất chuyển động từ phần ngưng về phần sôi nhờ lực trọng trường.

11 Trong thực tế ống nhiệt được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đơn cử như: làm mát các đường cáp điện đặt ngầm dưới đất, làm mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu trong xe, sưởi ấm cabin nhờ lượng nhiệt thải qua ống xả trong ngành ô tô, làm mát các linh kiện điện tử có công suất lớn, làm mát các bức tường trần nhà bằng bê tông trong mùa hè, thu hồi nhiệt thải từ các nhà máy, xí nghiệp. Ở ống nhiệt trọng trường chỉ có thể xuất hiện 3 giới hạn công suất nhiệt: giới hạn lôi cuốn, giới hạn âm thanh, giới hạn sôi. Nhưng chúng ta chỉ quan tâm nhiều đến giới hạn lôi cuốn và khi vận hành, thiết kế ống nhiệt ta phải đảm bảo công suất của ống nhiệt nhỏ hơn giới hạn lôi cuốn bởi vì giới hạn lôi cuốn có giá trị nhỏ nhất trong 3 giới hạn.2 Các nghiên cứu về ứng dụng ống nhiệt trọng trường để thu hồi nhiệt thải Việc sử dụng ống nhiệt trọng trường là vô cùng hữu ích và cần thiết nên có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Ở trong nước, có những nghiên cứu đơn cử như: Vang TV [1] nghiên cứu về việc sử dụng ống nhiệt trong hệ thống điều hoà không khí để tiết kiệm năng lượng, nghiên cứu chỉ ra rằng lượng năng lượng tiêu thụ của hệ thống giảm rõ rệt khi sử dụng ống nhiệt.

Quốc HA [2] nghiên cứu nâng cao hiệu quả cấp nhiệt bằng ống nhiệt mặt trời cho máy lạnh hấp thụ H2O- LiBr loại single effect ở miền nam Việt Nam, nghiên cứu chỉ ra rằng có thể ứng dụng ống nhiệt dạng năng lượng mặt trời để cấp cho máy lạnh hấp thụ. Trung DT [3] nghiên về khả năng ứng dụng hệ thống điều hòa không khí kết hợp ống nhiệt trong điều kiện các tỉnh phía nam, nghiên cứu này cho thấy tiết kiệm được khoảng 26% năng lượng tiêu thụ. Luan NT và cộng sự [4] nghiên cứu hiệu quả của ống nhiệt trọng trường với môi chất lạnh R134a trên tủ sấy điện trở, nghiên cứu chỉ ra rằng việc kết hợp ống dẫn nhiệt vào máy sấy đã tăng hiệu suất năng lượng của máy từ 6,5% đến 14,5%. Quảng và cộng sự [5] nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của cấu trúc ống thu hồi nhiệt khí thải đến hiệu quả tận dụng nhiệt trong hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển, nghiên cứu chỉ ra rằng với kết cấu ống thu hồi có thêm các cánh trao đổi nhiệt tiếp xúc với nước biển thì hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải sẽ cho kết quả tốt hơn.

Ở nước ngoài cũng có nhiều nghiên cứu về vấn đề này như: Baky và cộng sự [6] nghiên cứu về bộ trao đổi nhiệt ống nhiệt để thu hồi nhiệt trong điều hòa không khí, nghiên 12 cứu cho hiệu suất tăng lên khoảng 26%. Pawar và cộng sự [7] nghiên cứu về mô phỏng CFD của ống nhiệt loại năng lượng mặt trời, nghiên cứu chỉ ra độ lệch tối đa giữa mô phỏng CFD và thực tế là 4.8%, cho thấy việc sử dụng CFD mang lại độ chính xác cao do đó có thể áp dụng cho các nghiên cứu về ống nhiệt. Wu và cộng sự [8] nghiên cứu về ứng dụng bộ trao đổi nhiệt đường ống nhiệt để kiểm soát nhiệt độ trong các hệ thống điều hòa không khí, nghiên cứu cho thấy tiết kiệm được năng lượng và nâng cao khả năng làm mát cho hệ thống từ 20% đến 32,7%. Yang và cộng sự [9] nghiên sử dụng bộ trao đổi nhiệt ống nhiệt để thu hồi nhiệt thải của khói thải ô tô để gia nhiệt cho không khí trong ô tô, nghiên cứu cho thấy mang lại hiệu quả cao, không ảnh hưởng lớn đến động cơ vì tác động rất nhỏ.

Jian và cộng sự [10] nghiên cứu về sự cải thiện về hiệu suất của máy sấy quần áo bằng cách sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng ống nhiệt, nghiên cứu chỉ ra hiệu suất tăng từ 10,22% lên 12,292% so với không sử dụng thu hồi nhiệt. Meena và cộng sự [11] nghiên cứu về việc sử dụng ống nhiệt để giảm độ ẩm trong hệ thống sấy, nghiên cứu cho thấy giúp giảm độ ẩm tương đối và tiết kiệm năng lượng. Tian và cộng sự [12] nghiên cứu về một thiết bị thu hồi nhiệt dạng ống nhiệt để thu hồi nhiệt trong ngành công nghiệp nhuộm và in, nghiên cứu cho thấy rằng thiết bị này có thể hoạt động liên tục trong ba tháng để thu hồi nhiệt thải, mang lại hiệu quả tốt hơn và giúp tiết kiệm chi phí. Wang và cộng sự [13] nghiên cứu về việc thiết kế máy lạnh hấp thụ kiểu ống nhiệt kép cho tàu đánh cá, nghiên cứu cho thấy giúp giải quyết vấn đề ăn mòn của nước biển, cải thiện hiệu suất truyền nhiệt và giảm chi phí đầu tư.

Delpech và cộng sự [14] nghiên cứu về sử dụng ống nhiệt để thu hồi nhiệt thải trong ngành công nghiệp gốm sứ, nghiên cứu cho thấy tiết kiệm được hơn 22 000 Euro mỗi năm nhờ giảm tiêu thụ nhiên liệu. Wang và cộng sự [15] nghiên cứu về việc sử dụng bộ trao đổi nhiệt ống nhiệt dạng hai cấp so với dạng một cấp phổ biến để tối ưu hóa hiệu suất của ống nhiệt, nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống hai cấp giúp tiết kiệm 2,5% năng lượng vào mùa hè và 22,1% vào mùa đông so với hệ thống thu hồi nhiệt một cấp.3 Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, nhiên liệu hóa thạch, khoáng sản đang dần cạn kiệt nên việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng là rất cần thiết. Do đó việc thu hồi nhiệt là vô 13 cùng quan trọng. Để thực hiện quá trình thu hồi nhiệt thì có nhiều cách khác nhau tuy nhiên thông qua nghiên cứu về ống nhiệt trọng trường thì em nhận thấy có những ưu điểm vượt trội như nhỏ gọn, hiệu suất cao được ứng dụng rộng rãi trong đời sống.

Do đó nhằm mục đích cũng cố và nâng cao kiến thức trước khi ra trường nên chúng em thực hiện đề tài tính toán thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng ống nhiệt trọng trường thu hồi nhiệt khói thải lò hơi để sấy.