LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình Cao học và viết luận văn này, tôi xin chân
thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Điện lực, các bạn bè đồng nghiệp,
đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập
tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Trương Nam Hưng đã dành
rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành
luận văn tốt nghiệp.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt
tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi
rất mong nhận được những đóng góp quí báu của các thầy cô và các bạn.
Tác giả

Lê Duy Anh Huy

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới
sự hướng dẫn của TS. Trương Nam Hưng. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi
sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin
trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả

Lê Duy Anh Huy

2


MỤC LỤC


11

1.5.3. Máy thu phát nhiệt

13

1.5.4. Thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp

13

1.5.5. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

14

1.5.6. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm

15

1.5.7. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn vòng

16

1.5.8. Nồi hơi thu hồi nhiệt thải

16

1.5.9. Bơm nhiệt

18


2.3.3. Theo môi chất nạp

27
3


2.3.4. Theo mục đích sử dụng ống nhiệt

27

2.3.5. Theo hình dạng ống

28

2.4. Ưu điểm của ống nhiệt
2.4.1. Ứng dụng của ống nhiệt

28
29

2.5. Tính toán ống nhiệt trọng trường có bề mặt trong nhẵn.
CHƯƠNG III : ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ
THU HỒI NHIỆT KIỂU ỐNG NHIỆT
3.1. Khảo sát thực trạng tại nhà máy tinh bột sắn Bá Thước
3.2. Tổng quan chung về lò dầu đốt than
3.3. Tính toán thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khói thải sử dụng ống nhiệt
trọng trường
3.3.1. Xác định công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường


sử dụng ống nhiệt trọng trường

60

KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

62
64

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Pg

- Độ chênh lệch áp suất do lực trọng trường gây nên,

P1

- Tổn thất áp suất do chuyển động của chất lỏng từ vùng ngưng tới

vùng bốc hơi,
Ph

- Tổn thất áp suất do chuyển động của hơi từ vùng bốc hơi tới vùng

ngưng.
tz – Nhiệt độ trung bình của nguồn đốt nóng (khói …) khi chuyển động qua
phần sôi của ống, 0C


- Diện tích mặt ngoài ống phần ngưng, m2

Fis

- Diện tích mặt trong ống phần sôi, m2
5


Fin

- Diện tích mặt trong ống phần ngưng, m2

de, di - Đường kính ngoài và đường kính trong của ống, m
Ls

- Chiều dài ống phần sôi, m

Ln

- Chiều

λ

- Hệ số dẫn nhiệt của vách ống, W/m.K

Ph,s

- Áp suất hơi trong phần sôi của ống, N/m2


từ các ngành công nghiệp khác nhau
Bảng 1.3:Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ trung bình
từ các nguồn khác nhau
Bảng 1.4:Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ thấp
từ các nguồn khác nhau
Hình 1.5: Thiết bị thu hồi nhiệt (sấy không khí)
Hình 1.6: Thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại
Hình 1.7: Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu
Hình 1.8: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp
Hình 1.9: Tua bin nhiệt
Hình 1.10: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp
Hình 1.11: Bộ hâm nóng nước
Hình 1.12: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
Hình 1.13: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
Hình 1.14: Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn vòng
Hình 1.15: Nồi hơi thu hồi nhiệt thải dạng ống nước hai đường
Hình 1.16: Sơ đồ cấu tạo của bơm nhiệt
Hình 1.17: Máy nén nhiệt
Hình 1.18: Ống nhiệt và một số thiết bị sử dụng ống nhiệt
Hình 2.1: Ống nhiệt
Hình 2.2. Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên biển đồ T-s
Hình 2.3:Ống nhiệt trọng trường
Hình 2.4:Ống nhiệt mao dẫn
Hình 2.5:Ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện
Hình 2.6:Sử dụng ống nhiệt làm mát các thiết bị điện tử
Hình 2.7:Hệ thống chân đỡ bằng ống nhiệt để làm mát đường ống.
Hình2.8:Sử dụng ống nhiệt làm bộ thu năng lượng mặt trời cho bình nước
nóng
Hình 2.9:Sử dụng ống nhiệt trong ngành công nghiệp ô tô dùng để làm mát
động cơ, làm mát đèn pha chiếu sáng, sưởi ấm ca bin…

trao đổi nhiệt kiểu mới – kiểu ống nhiệt , được sử dụng nhằm nâng cao
hiệu quả việc thu hồi nhiệt thải tại các nhà máy công nghiệp. Phạm vi
nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán lý thuyết cho thiết bị trao đổi nhiệt
kiểu ống nhiệt, áp dụng kết quả tính toán lý thuyết vào một nhà máy cụ
thể, đánh giá khái quát hiệu quả tiết kiệm năng lượng và khả năng ứng
dụng của thiết bị trong thực tế.
5. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, tham khảo kết quả
của các công trình khoa học đã công bố, đo đạc, khảo sát thực tế tại các

1


nhà máy công nghiệp, thống kê, tổng hợp, tính toán lý thuyết, phân tích
số liệu, xử lý hiệu chỉnh kết quả.
6. Dự kiến đóng góp mới: Giới thiệu phương pháp tính toán, thiết kế,
khả năng sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới – Thiết bị trao đổi
nhiệt kiểu ống nhiệt sử dụng trong việc tiết kiệm năng lượng.

2


CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NHIỆT THẢI

1.1 Đặc trưng về tiêu thụ năng lượng tại các nhà máy công nghiệp
Các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, xi măng, hóa chất, gạch, gốm sứ, dệt,
nhuộm, ép nhựa, chế biến thực phẩm, đường, cà phê, chè… đều có các lò đốt
sử dụng than, dầu, gas hoặc điện năng để tạo ra nhiệt độ cao trong quá trình
sản xuất. Lượng nhiên liệu thực sự hữu ích thường chỉ chiếm một phần nhỏ
trong tổng số nhiện liệu bị đốt cháy. Điều này không những gây lãng phí tài
nguyên mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường và khí quyển trái đất.


Nhiệt bức xạ và đối Khả năng thu hồi nhiệt không nhiều, nếu
lưu thất thoát do toả được thu hồi có thể dùng để sưởi không khí
nhiệt từ bề mặt ngoài phục vụ sinh hoạt hoặc gia nhiệt sơ bộ không

3


TT

Nguồn nhiệt thải
của thiết bị

4

và tiềm năng sử dụng nguồn nhiệt thu hồi
khí sử dụng trong công nghiệp.

Thất thoát nhiệt do Khả năng thu hồi nhiệt không cao.Sẽ hữu ích
nước làm mát

5

Khả năng thu hồi nhiệt

nếu trao đổi nhiệt với nước tự nhiên đi vào

Thất thoát nhiệt trong Khả năng thu hồi nhiệt cao nếu có thể tận
quá trình cung cấp dụng để giảm nhu cầu làm lạnh
nước làm mát hoặc thải Khả năng thu hồi nhiệt thấp, nếu bộ phận làm

Với các nguồn nhiệt thải có nhiệt độ cao, việc thu hồi nhiệt có thể được
tiến hành theo “hệ thống tầng bậc”, với cách thức này sẽ đảm bảo hiệu quả
cao của việc thu hồi nhiệt thải, mở rộng phạm vi sử dụng nguồn nhiệt thu hồi
4


được. Một ví dụ về kỹ thuật thu hồi nhiệt thải là sử dụng nguồn khí thải ở
nhiệt độ cao để gia nhiệt sơ bộ không khí, sau đó, ở giai đoạn nguồn khí thải
có nhiệt độ thấp, sử dụng nhiệt thu hồi để gia nhiệt nước cấp cho quy trình sản
xuất hay để sản sinh hơi.
1.3 Thực trạng và tiềm năng thu hồi nhiệt thải tại một số nhà máy công
nghiệp
Có thể thu hồi nhiệt thải từ các quy trình công nghiệp khác nhau. Có sự
phân biệt rất rõ giữa nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao của
nhiệt thải.Bảng 1.2 mô tả nhiệt độ của khí thải từ các thiết bị xử lý công
nghiệp trong vùng nhiệt độ cao,tất cả các kết quả này đều từ quy trình đốt
nhiên liệu trực tiếp.
Nhiệt độ (0C)

Loại thiết bị
Lò tinh luyện Niken

1370 – 1650

Lò tinh luyện nhôm

650 – 760

Lò tinh luyện kẽm


Lò thiêu kết chất thải rắn

650 – 1000

Lò thiêu kết hút khói

650 - 1450

Bảng 1.2:Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ cao
từ các ngành công nghiệp khác nhau
Bảng 1.3 cho biết nhiệt độ của khí thải từ các thiết bị xử lý công nghiệp
trong vùng nhiệt độ trung bình. Hầu hết nhiệt thải trong vùng nhiệt độ này đều
5


là sản phẩm khí xả của các bộ phận trong quy trình đốt trực tiếp.
Nhiệt độ (0C)

Loại thiết bị
Xả nồi hơi

230 – 480

Xả tuabin khí

370 – 540

Xả động cơ pít tông

315 – 600


55 – 88

Nước làm mát từ:
Cửa lò luyện

32 – 55

Giá đỡ

32 – 88

Máy hàn

32 – 88

Máy đúc áp lực

32 – 88

Lò ủ

66 – 230

Khuôn định hình

27 – 88

Máy nén khí



32 – 232

Chất rắn xử lý nóng

93 - 232

Bảng 1.4:Nhiệt độ nhiệt thải điển hình trong vùng nhiệt độ thấp
từ các nguồn khác nhau
1.4.Khái quát các giải pháp thu hồi nhiệt thải.
Các giải pháp tối đa hóa mức sử dụng năng lượng hiệu quả quan trọng nhất
khi ứng dụng thu hồi nhiệt thải là
- Thu hồi nhiệt từ khói lò, nước làm mát động cơ, khí xả động cơ, hơi
nước áp suất thấp, khí xả lò sấy, xả đáy nồi hơi, vv
- Thu hồi nhiệt từ khí thải lò thiêu
- Sử dụng nhiệt thải để đốt dầu nhiên liệu, gia nhiệt nước cấp nồi hơi,
gia nhiệt khí bên ngoài, vv
- Sử dụng nhiệt thải thiết bị làm mát để gia nhiệt nước nóng
- Sử dụng bơm nhiệt
- Sử dụng làm lạnh hấp thu
- Sử dụng tuabin nhiệt, hệ thống ống xoắn, hệ thống đường ống nhiệt
và thiết bị trao đổi khí tới khí.
1.5. Tổng quan các thiết bị thu hồi nhiệt thải.
1.5.1. Thiết bị thu hồi nhiệt
Thiết bị thu hồi nhiệt hay còn gọi là thiết bị gia nhiệt cho không khí,
trong thiết bị thu hồi nhiệt quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa khí thải và
không khí qua các tấm kim loại hoặc gốm. Không khí cho quá trình cháy đi
trong ống sẽ được gia nhiệt khi tiếp xúc với khí thải nóng đi bên ngoài ống
(hình 1.5)
7

bị thu hồi kiểu ống hay còn gọi là thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu. Như có thể
thấy trong hình vẽ dưới đây, khí nóng được đưa qua một số các ống song song
đường kính nhỏ, trong khi đó khí sẽ được gia nhiệt đi vào một vỏ bao quanh
các ống và đi qua các ống nóng một hoặc vài lần theo hướng vuông góc với
trục. Nếu các ống được lái dòng để khí đi qua hai lần, thiết bị trao đổi nhiệt
9


này được gọi là thiết bị thu hồi nhiệt hai dòng; nếu sử dụng hai van bướm, thì
thiết bị có tên gọi là thiết bị thu hồi nhiệt ba dòng, vv. Mặc dù lắp van bướm
có thể vừa làm tăng chi phí thiết bị trao đổi nhiệt vừa làm tăng hiện tượng sụt
giảm áp suất thì đồng thời lắp van bướm cũng làm tăng hiệu suất làm việc của
thiết bị.

Hình 1.7: Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu
3. Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp
Để hiệu suất truyền nhiệt đạt mức tối đa, người ta sử dụng thiết bị thu
hồi nhiệt kết hợp. Thiết bị này là sự kết hợp giữa thiết bị bức xạ và đối lưu,
theo đó khu vực bức xạ nhiệt cao được thiết kế trước và tiếp theo sau là khu
vực đối lưu (hình 1.8).
Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn
do có hiệu suất cao, tuy nhiên giá thành lại đắt tiền hơn loại thiết bị thu hồi
nhiệt bức xạ kim loại.

10


Hình 1.8: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp
4. Thiết bị thu hồi nhiệt gốm
Hạn chế chính trong vấn đề truyền nhiệt của thiết bị thu hồi nhiệt kim

12


Máy này được sử dụng chủ yếu ở những nơi nhiệt được trao đổi giữa các
khối khí lớn có chênh lệch nhiệt nhỏ. Những ứng dụng phổ biến là các hệ
thống sưởi và thông gió và tận thu nhiệt từ khí xả máy sấy
1.5.3. Máy thu phát nhiệt
Máy thu phát nhiệt phù hợp với công suất lớn và được sử dụng rộng rãi
trong các lò nấu chảy thép và thủy tinh. Kích thước của máy thu hồi nhiệt,
thời gian giữa các lần đảo chiều, độ dày của gạch, độ truyền…( hình 1.5)

Hình 1.10: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp
1.5.4. Thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp
Trong các hệ thống nồi hơi, có thể sử dụng bộ trao đổi nhiệt hâm nóng
nhiệt để tận dụng nhiệt khói lò cho gia nhiệt sơ bộ nước cấp. Mặt khác, trong
thiết bị gia nhiệt sơ bộ không khí, nhiệt thải có thể được sử dụng để đốt nóng
không khí cháy. Trong cả hai trường hợp này nhiên liệu yêu cầu cho nồi hơi
giảm tương ứng. Cứ giảm 220 0C nhiệt độ khói lò bằng cách đi qua bộ hâm
nóng nhiệt hay thiết bị gia nhiệt sơ bộ thì tiết kiệm được 1% nhiên liệu trong
nồi hơi.

13


Hình 1.11: Bộ hâm nóng nước
Nói cách khác, cứ tăng nhiệt độ nước cấp thêm 60 0C nhờ bộ hâm nóng
nhiệt, hay tăng nhiệt độ không khí cháy lên 200 0C nhờ thiết bị sấy không khí
sơ bộ thì tiết kiệm được 1% nhiên liệu trong nồi hơi.
1.5.5. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống
Khi vật chứa nhiệt thải là chất lỏng hay hơi dùng để đốt nóng chất lỏng

15


cần gia nhiệt đi theo đường song song giữa các tấm nóng. Để tăng hiệu quả
truyền nhiệt các tấm được uốn hình sóng.
Chất lỏng nóng đi qua đáy phần trên đầu khí đuợc phép đi lên phía trên
giữa các tấm chẵn còn chất lỏng lạnh phần đỉnh đầu được phép đi xuống dưới
giữa các tấm lẻ. Khi các hướng của dòng nóng và lạnh ngược chiều nhau
người ta gọi là thiết kế dòng ngược.
Hình 2.8 minh họa thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm. Những ứng dụng
công nghiệp phổ biến là: Thiết bị phận khử trùng tại nhà máy đóng gói sữa.
Các nhà máy bay hơi trong ngành thực phẩm.
1.5.7. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn vòng
Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn vòng về mặt nguyên lý hoàn toàn giống
với thiết bị trao đổi ống nhiệt. Nhiệt từ chất lỏng nóng được truyền tới chất
lỏng lạnh hơn qua một chất trung gian gọi là Chất lỏng Truyền nhiệt. Một ống
xoắn của vòng kín được lắp tại dòng nóng, ống xoắn còn lại được lắp đặt tại
dòng lạnh. Chất lỏng này được lưu thông bằng một bơm tuần hoàn.
Sẽ hữu ích hơn nếu các dòng lạnh vùng nóng ở vị trí cách xa nhau và
không thể gặp nhau. Những ứng dụng công nghiệp chính là thu hồi nhiệt từ
thông gió, điều hòa không khí và thu hồi nhiệt ở nhiệt độ thấp.

Hình 1.14: Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn vòng
1.5.8. Nồi hơi thu hồi nhiệt thải
16


Nồi hơi nhiệt thải là các nồi hơi dạng ống nước loại thường trong đó
khí xả nóng từ tuabin khí, máy thiêu kết, vv…đi qua một số các ống song
song có chứa nước. Nước được ngưng hơi vào ống và được thu hồi trong ống

Hình 1.16: Sơ đồ cấu tạo của bơm nhiệt
Thực tế cho thấy trong các hoạt động công nghiệp chất lỏng có nhiệt độ
ít hơn 120oC (hay tốt hơn cả là 150oC để có biên độ an toàn) được đặt làm
mức hạn chế để thu hồi nhiệt thải do nguy cơ ngưng tụ các chất lỏng mài
mòn. Tuy nhiên, do giá nhiên liệu liên tục tăng nên kể cả những nhiệt thải như
vậy vẫn có thể sử dụng tiết kiệm để sưởi nhà và cho các ứng dụng khác cần
nhiệt độ thấp hơn. Có thể đảo chiều dòng năng lượng tức thời bằng cách sử
dụng một hệ thống nhiệt động lực học gọi là bơm nhiệt.
18