đồ án nhập môn về hệ thống cung cấp nhiệt cho một tòa nhà khách sạn

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng nhiệt là loại năng lượng cực kỳ cần thiết trong cuộc sống, đã được con người sử dụng từ thời nguyên thủy để làm chín thức ăn Ngày nay, năng lượng nhiệt được sử dụng rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp

Trong công nghiệp thì nó được dùng trong các xí nghiệp công nghiệp Nhìn xa rộng một chút, nền sản xuất hiện đại chỉ có thể phát triển nhờ sự tồn tại của ngành năng lượng Trong đó, năng lượng nhiệt là một loại năng lượng quan trọng và cơ bản của một quốc gia Là động lực cho các ngành kinh tế, năng lượng nhiệt được coi như bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống cơ sở hạ tầng sản xuất Việc phát triển ngành năng lượng nhiệt này kéo theo hàng loạt các ngành công nghiệp khác như công nghiệp cơ khí, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng Công nghiệp năng lượng cũng thu hút những ngành công nghiệp sử dụng nhiều điện năng như luyện kim màu, chế biến kim loại, chế biến thực phẩm, hoá chất, dệt Thông qua chỉ số tiêu dùng năng lượng bình quân theo đầu người, có thể phán đoán trình độ phát triển kinh tế, kỹ thuật và văn hoá của một quốc gia

Trong dân dụng, năng lượng nhiệt ngày này được sử dụng riêng lẻ trong các hộ dân cư, nhà hàng, khách sạn,…để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt hàng ngày với 1 mức tiêu chuẩn nhất định Việc này đòi hỏi các hệ thống cung cấp nhiệt phải được thiết kế theo tiêu chuẩn đó để đáp ứng lại các nhu cầu sử dụng

Hơn nữa, việc cấp nhiệt trong dân dụng sử dụng các nguồn nhiên liêu sơ cấp như yu7than, dầu, năng lượng mặt trời, địa nhiệt là một trong những phương pháp hiệu quả Chính việc sử dụng trực tiếp nguồn nhiên liệu sơ cấp đã bỏ qua được hiệu suất tại các nhà máy nhiệt điện (khoảng 35- 40%) và các chất ôi nhiễm thải ra trong quá trình sản xuất điện năng

Hiểu được tầm quan trọng của năng lượng nhiệt, được thầy Trần Huy Cấp trong

bộ môn hướng dẫn tận tình Nên chúng em có cơ hội làm “đồ án nhập môn” về hệ thống cung cấp nhiệt cho một tòa nhà khách sạn

Do kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này chắc chắn không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT VÀ THIẾT BỊ NGUỒN CẤP NHIỆT

1.1 Các phương pháp cấp nhiệt 1.2 Các loại nguồn cấp nhiệt 1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt 1.4 Mạng nhiệt

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẤP NHIỆT

2.1 Cấp hơi

2.2 Gia nhiệt cho nước 2.3 Gia nhiệt cho bể bơi

2.4 Cấp nước nóng cho khách sạn 2.5 Thông số cho hệ thống cấp nhiệt 2.6 Tổng quan về thiết bị nguồn cấp

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt cấp nước nóng trên mái 3.2 Tính chọn thiết bị cấp nhiệt cho bể bơi

3.3 Tính chọn bơm cấp nước cho lò hơi

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠNG NHIỆT

4.1 Tính toán thủy lực của hệ thống cấp nhiệt cho khách sạn 4.2 Tính toán thủy lực cho đường ống nước nóng

4.3 Tính toán thủy lực cho đường ống nước hồi 4.4 Tính toán thủy lực cho đường ống cấp hơi 4.5 Tính toán cách nhiệt cho đường ống hơi

4.6 Tính giá đỡ ống và bù giãn nở nhiệt cho đường ống hơi 4.7 Tính toán tổn thất nhiệt trong đường ống

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT VÀ THIẾT BỊ NGUỒN CẤP NHIỆT

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP NHIỆT 1.1.1 Bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời

Hình 1.1.1a: Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời

Hình 1.1.1b: Hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời được lắp đặt tại khách sạn Thế giới Xanh Nha Trang

Ưu điểm

Hệ thống này là giúp giảm phát thải khí nhà kính do dùng năng lượng từ mặt trời và giảm 90% chi phí điện năng cho việc cung cấp nước nóng

Nhược điểm:

- Chi phí ban đầu cho phương án này tương đối cao,

- Cần diện tích lớn để lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời,

- hiệu suất phụ thuộc thời tiết lượng nhiệt để tạo ra nước nóng sẽ bị ảnh hưởng khá lớn vào các ngày âm u hay vào mùa đông ít nắng

1.1.2 Lò hơi kết hợp năng lượng mặt trời

Hình 1.1.2: Sơ đồ hệ thống lò hơi kết hợp năng lượng mặt trời

Đặc điểm của hệ thống

+ sử dụng đồng thời cả lò hơi cả tấm thu năng lượng mặt trời để cấp nước nóng + đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời, bổ sung nước nóng cho hệ thống lò hơi và cho các phòng khách sạn

+ lò hơi có thể cấp được hơi sử dụng cho các nhu cầu cao cấp khác như giặt là, sưởi ấm, nấu ăn,…

Ưu điểm

+ loại bỏ được nhược điểm phụ thuộc thời gian và thời tiết của tấm thu năng lượng mặt trời

+ trong tình huống thời tiết xấu hoặc lò hơi sửa chữa vẫn có nước nóng dùng + sử dụng tấm tích nhiệt năng của mặt trời để giảm tải bớt công suất của lò hơi trong việc cấp nước nóng

+ tiết kiệm được nhiên liệu cho lò hơi, đặc biệt trong các ngày nắng nóng hay ở nơi có diện tích chiếu sáng nhiều

Nhược điểm

+ lắp đặt sẽ cần thêm diện tích trên mái hoặc ở nơi cao có ánh sáng + chi phí cho hệ thống năng lượng mặt trời cao

1.1.3 Lò hơi kết hợp với bơm nhiệt

Hình 1.1.3: Sơ đồ hệ thống lò hơi kết hợp với bơm nhiệt

Đặc điểm của hệ thống

+ sử dụng bơm nhiệt để cấp thêm nhiệt cho lò hơi + thích hợp dùng cho tòa nhà người ở

+ cấp nước nóng sinh hoạt và hơi nóng cho các nhu cầu cao cấp

Ưu điểm

+ Có thể hoạt động liên tục, tạo ra nước nóng liên tục và không phụ thuộc yếu tố thời tiết

+ Độ an toàn, độ bền cao: bơm nhiệt được chế tạo từ vật liệu cao cấp, có khả năng chống chịu tốt

+ tận dụng nguồn nhiệt thải của chu trình làm mát để gia nhiệt thêm, tăng được hệ số hiệu quả năng lượng

+ sử dụng cho các tòa nhà người ở rất hợp lí + giảm được nhiên liệu cần cấp cho lò hơi

Nhược điểm

+ Do là thiết bị hiện đại, được chế tạo từ vật liệu cao cấp nên giá thành cho một hệ thống dùng bơm nhiệt rất cao, thậm chí cao hơn cả năng lượng mặt trời nên hiện nay chưa được ứng dụng rộng rãi cho các tòa nhà, khu chung cư bình dân

+ đối với những nơi không sử dụng giàn bay hơi của chu trình lạnh thì sẽ không khai thác tối đa hiệu quả

1.1.4 Lò hơi kết hợp bơm nhiệt và năng lượng mặt trời

Hình 1.1.4: Lò hơi kết hợp với bơm nhiệt và năng lượng mặt trời

Đặc điểm hệ thống:

+ sử dụng cả 3 nguồn lò hơi, bơm nhiệt và năng lượng mặt trời để cấp nhiệt cho nước sinh hoạt, sấy sưởi,…

Ưu điểm:

+ Độ an toàn, độ bền cao: bơm nhiệt được chế tạo từ vật liệu cao cấp, có khả năng chống chịu tốt

+ thích hợp dùng cho tòa nhà lớn và nhỏ

+ Có thể hoạt động liên tục, tạo ra nước nóng liên tục và không phụ thuộc yếu tố thời tiết

+ tiết kiệm tối đa nhiên liệu, tăng hệ số hiệu quả năng lượng + tận dụng được nhiệt thải, giảm tải bớt cho lò hơi

Nhược điểm:

+ hệ thống phức tạp

+ chi phí đầu tư ban đầu lớn

+ cần nơi có diện tích chiếu sáng lớn

+ Có thể gây ra tiếng ồn do sự hoạt động của máy nén và máy sấy

1.2 CÁC LOẠI NGUỒN CẤP NHIỆT 1.2.1 Lò hơi

1.2.1.1 Giới thiệu chung

Nồi hơi - lò hơi (Tiếng anh: steam boiler) là thiết bị sử dụng nhiên liệu (than, củi,

trấu, giấy vụn…) để đun sôi nước tạo thành hơi nước mang nhiệt để phục vụ cho các yêu cầu về nhiệt trong các lĩnh vực công nghiệp như giặt là, sấy gỗ, khách sạn … Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta tạo ra nguồn hơi có nhiệt độ và áp suất phù hợp để đáp ứng cho các yêu cầu khác nhau Để vận chuyển nguồn năng lượng có nhiệt độ và áp suất cao này người ta dùng các ống chịu được nhiệt, chịu được áp suất cao chuyên dùng cho nồi hơi (lò hơi)

Cấu tạo đơn giản nhất của lò hơi gồm có hai trống nước (bao nước), một ở phía trên, một ở phía dưới, có hai dàn ống, một dàn nằm trong buồng đốt để được đốt nóng tạo hỗn hợp hơi và nước sôi chuyển động lên trống trên (còn gọi là trống hơi), một dàn nằm phia ngoài vách lò đưa nước đã tách hơi đi xuống trống dưới (còn gọi là trống nước) Việc tuần hoàn hỗn hợp nước sôi và hơi nước đi lên trống trên để tách hơi, và nước từ trống trên chuyển xuống trống dưới có thể là tuần hoàn tự nhiên, cũng có thể là tuần hoàn cưỡng bức: phải dùng bơm chuyên dụng Trống trên là nơi tách hơi ra khỏi hỗn hợp hơi-nước, phần hơi ra khỏi bao hơi (trống hơi) được đưa đến bộ quá nhiệt là các dàn ống xoắn ruột gà (hoặc cấu tạo khác) đặt ngang hoặc dọc trên đỉnh lò để tận dụng nhiệt của khói lò, tại đây hơi nhận thêm một lượng nhiệt thành hơi quá nhiệt (hơi khô), hơi này có áp suất và nhiệt độ cao được đưa đi sử dụng cho các thiết bị như động cơ hơi nước, turbine hơi nước

1.2.1.2 Ứng dụng

- Trong các nhà máy công nghiệp có sử dụng nhiệt thì người ta sử dụng thiết bị nồi hơi (lò hơi) để làm nguồn cung cấp nhiệt, cung cấp hơi và dẫn nguồn nhiệt, nguồn hơi đến các hệ thống máy móc cần sử dụng

- Lò hơi được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, mỗi ngành công nghiệp đều có nhu cầu sử dụng nhiệt với mức độ và công suất khác nhau Các công ty như: công ty may mặc, công ty giặt khô sử dụng nồi hơi (lò hơi) để cung cấp hơi cho hệ thống cầu là, các nhà máy như: Nhà máy chế biến thức ăn gia súc, nhà máy bánh kẹo, sử dụng nồi hơi (lò hơi) để sấy sản phẩm Một số nhà máy sử dụng lò hơi để đun nấu, thanh trùng như nhà máy nước giải khát, nhà máy nước mắm, tương hay dầu thực vật

1.2.1.3 Phân loại a) Lò hơi điện

Lò hơi điện là loại lò hơi sử dụng nhiên liệu điện để biến đổi nước thành hơi mang nhiệt phục vụ cho các hoạt động sản xuất

Hình 1.2.1.3a: Lò hơi điện trong công nghiệp

Đối với các ứng dụng cần điều kiện cao về vệ sinh môi trường VD như lò hơi dòng trong ngành dược phẩm, lò hơi dùng trong các nhà hàng khách sạn, phòng massage, ủi đồ công nghiệp, làm bún, làm đậu hũ, sấy thuốc tây, sấy thực phẩm, sấy rau củ quả…… Thì việc sử dụng lò hơi (nồi hơi) điện được nhiều doanh nghiệp ưu tiên

Ưu điểm:

 Thiết kế nhỏ gọn

 Vận hành cực kỳ vệ sinh và đơn giản,

 Đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường,

 Chi phí tiêu thụ điện năng cũng không cao mà còn rẻ hơn so với các nhiên liệu dầu lửa hoặc khí gas, hiệu suất nhiệt đạt tới 99%,

 Tuổi thọ dài và không có NOx được giải phóng vào không khí

Đặc điểm:

 Nồi hơi điện có dạng hình trụ, nhỏ gọn, được đặt đứng trong khi vận hành

 Công suất hoạt động khác nhau, có thể lên đến 144 kW

 Thân nồi hơi được sản xuất bằng vật liệu thép chịu áp lực A515Gr60, không bị rỉ sét, ăn mòn, có thể chịu được nhiệt độ cao Vì vậy, nồi hơi có thể sử dụng bền bỉ trong thời gian dài

 Sử dụng vật liệu bảo ôn, cách nhiệt là bông khoáng và bông thủy tinh, Bên ngoài nồi hơi điện còn bọc thêm lớp inox để ngăn chặn hơi thất thoát ra ngoài làm giảm hiệu quả vận hành

 Năng suất sinh hơi lớn, từ 50 đến 200 kg/h

 Sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng điện, không tiêu tốn nhiều điện năng

 Không gây tiếng ồn

 Thân thiện với môi trường

 Được trang bị hệ thống van an toàn, điều chỉnh áp suất để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng

b) Lò hơi công nghiệp ghi xích đốt than

Hình 1.2.1.3b1: Lò hơi ghi xích đốt than

Hình 1.2.1.3b2: Hình ảnh thực tế lò hơi đốt than

Lò hơi (nồi hơi) ghi xích thuộc loại lò hơi công suất nhỏ hoặc trung bình ghi cho lớp nhiên liệu trên ghi, phễu than (11) Quạt khói (14) Ống góp dưới

(17) Bộ quá nhiệt

Nguyên lý làm việc

Than hoặc nhiên liệu rắn hữu cơ được cấp lên ghi với một chiều dày được điều chỉnh sẵn và chuyển động cùng ghi vào buồng lửa; Tại đây nhiên liệu nhận được nhiệt bức xạ từ ngọn lửa, vách tường, cuốn lò Nhiên liệu được sấy nóng, khô dần và chất bốc thoát Chất bốc và cốc cháy tạo thành tro xỉ và được gạt xỉ thải ra ngoài Chiều dày lớp nhiên liệu trên mặt ghi cũng được lựa chọn hợp ly cho mỗi loại nhiên liệu

Ví dụ: Than cám antraxit, than đá: 150-200 mm; than nâu 200-300 mm; than bùn 700-1000 mm; củi gỗ 400-600 mm; Không khí cấp vào buồng lửa thường chia thành gió cấp 1 cấp từ dưới ghi lên và gió cấp 2 cấp phía trên lớp nhiên liệu Tỷ lệ giữa gió cấp 1 và cấp 2 cũng được tính toán lựa chọn phù hợp Thông thường gió cấp 2 chiểm khoảng 8-15%; Tốc độ gió cấp 2 ra khỏi vòi phun thường khá cao từ 50-80 m/s

Đặc tính kỹ thuật:

 Công suất sinh hơi: từ 3T/H – 40T/H

 Áp suất thiết kế từ 10 bar – 150 bar

 Hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt

 Nhiên liệu đốt: than

 Hiệu suất lò hơi: 85%

Ưu điểm:

 Do ghi có kết cấu chuyển động nên quá trình cấp nhiên liệu và thải tro xỉ, được tự động do đó sẽ đơn giản trong quá trình vận hành, tiết kiệm nhân công

 Hiệu suất lò cao hơn do có thể tổ chức tốt hơn quá trình cháy (phân bố không khí phù hợp với quá trình cháy, lò vận hành ổn định, tin cậy

 Ghi lò hơi được làm mát khi ghi ở mặt dưới nên tuổi thọ được nâng lên

 Lò hơi ghi xích vận hành đơn giản, dễ dàng bảo trì bảo dưỡng

 Lò hơi có khả năng cấp than, thải xỉ hoàn toàn tự động hoặc bán tự động

 Lò hơi (nồi hơi) đốt than hoạt động với nhiệt độ và áp suất ổn định

 Loại lò này có thể đốt được nhiều loại nhiên liệu khác nhau

 Lò vận hành đơn giản, cho phép hoạt động liên tục, bảo trì đơn giản

Nhược điểm:

 Công suất vẫn hạn chế (dưới 100 T/h)

 Quán tính nhiệt lớn không điều chỉnh

 Yêu cầu về nhiên liệu cao, đặc biệt là độ ẩm không được vượt quá 20%, độ tro cũng không được vượt quá 20-25%, nhiệt độ nóng chảy của tro xỉ cũng không được quá thấp Nếu thấp hơn 1.200OC tro xỉ nóng chảy sẽ bọc các hạt than chưa cháy Kích cỡ hạt cũng đòi hỏi cao, không được quá lớn hoặc quá nhỏ

c Lò hơi ghi tĩnh:

Hình 1.2.1.3c Lò hơi ghi tĩnh

Nhiên liệu được cấp vào buồng đốt bằng thủ công, và nhờ gió cấp dưới ghi, nhiên liệu sẽ được đốt cháy trên ghi tỏa ra năng lượng cung cấp cho các chùm ống sinh hơi

Ưu điểm:

 Lò hơi ghi tĩnh cho phép đốt được các loại nhiện liệu có kích thước lớn và kích cỡ không đồng đều, cho phép đốt kết hợp hoặc riêng lẻ từng loại nhiên liệu

 Lò hơi nhỏ gọn,chiếm ít không gian

 Lò hơi ghi tĩnh vận hành đơn giản, dễ dàng bảo trì bảo dưỡng

 Giá thành thấp

Nhược điểm:

 Lò vận hành thủ công, mất nhiều nhân công vận hành

 Hiệu suất lò hơi thấp

Đặc tính kỹ thuật:

 Công suất sinh hơi: từ 3T/H – 40T/H

 Áp suất thiết kế từ 10 bar – 150 bar

 Hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt

 Nhiên liệu đốt: than

 Hiệu suất lò hơi: 85%

d Lò hơi công nghiệp tầng sôi

Hình 1.2.1.3d1 Mô phỏng lò hơi công nghiệp tầng sôi

Hình 1.2.1.3d2: Hình ảnh thực tế lò hơi công nghiệp tầng sôi

Các loại nồi hơi tầng sôi lại hay còn gọi là nồi hơi tầng sôi tuần hoàn Nồi hơi sôi lại gồm 03 phần chính: Buồng đốt, Cyclon và phần đuôi lò Loại lò hơi tầng sôi được đánh giá là thân thiện với môi trường, giảm phát độc hại

Khái niệm “tầng sôi”có thể hiểu một cách khái quát là một vùng không gian được tạo bởi các hạt ở thể rắn (nguyên liệu đốt) như cát, tro, than, đá vôi… Chúng sẽ được nâng lên ở trạng thái lơ lửng trong buồng đốt do áp lực của dòng không khí Theo đó, lớp nguyên liệu trong buồng đốt sẽ ở trạng thái giãn nở, sự tiếp xúc giữa không khí và nhiên liệu cũng được tăng lên rất nhiều Các hạt chuyển động tự do và sôi giống như chất lỏng ở trạng thái này và được gọi là tầng sôi hay lớp sôi

Nguyên lý hoạt động của lò hơi tầng sôi (tuần hoàn)

Nhiên liệu sau khi sơ chế được đưa vào buồng lửa, gió cấp 1 được cấp vào từ phía dưới buồng đốt làm nhiệm vụ tạo lớp sôi Tiếp đến gió cấp 2 được cấp vào buồng lửa ở một độ cao nhất định Các hạt nhiên liệu chuyển động lên xuống trong buồng lửa và cháy cùng với hệ thống gió luân chuyển giúp nhiên liệu chay hết, tránh hiện tượng tiêu tốn nhiên liệu

Khi cháy gần hết thì nhiên liệu tạo xỉ và bụi, có trọng lượng nhẹ nên bay theo khói ra khỏi buồng lửa Tuy nhiên hỗn hợp này lại trải qua quá trình phân ly hạt than lắng lại và được đưa trở về buồng lửa tiếp tục quá trình cháy cho đến khi cạn kiệt thì thôi.>>>> nên được gọi là lò hơi tầng sôi tuần hoàn

Phân bổ lượng nhiệt tuần hoàn theo từng ngưỡng nhiệt cụ thể như: 800-900 oC được cấp cho các bộ quá nhiệt, bộ hâm nước, bộ sấy không khí, … Khói thải ra dưới 200 oC cũng được tận dụng để lọc tro xỉ bay theo khói trước khi đi qua ống khói vào môi trường

Đặc tính kỹ thuật:

 Công suất sinh hơi: từ 5 T/H đến 300 T/H

 Áp suất thiết kế từ 10 Bar đến 150 Bar

 Hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt

 Nhiên liệu đốt: Than

 Hiệu suất lò hơi: 87%

Ưu điểm:

 Giúp nhà máy tiết kiệm chi phí nhờ khả năng đốt cháy nhiều loại nguyên liệu, kể cả các loại phế phẩm công nghiệp

 Tiết kiệm nhiên liệu tối đa nhờ vào khả năng tận dụng nguồn nhiên liệu đốt một cách triệt để

 Sử dụng nhiều loại nhiên liệu trong một buồng đốt, có thể thay đổi nhiên liệu một cách linh hoạt mà không phải thay đổi kết cấu của lò

 Tạo ra nguồn nhiệt lớn, ổn định với nhiệt độ lên đến 900 độ

 Giảm phát thải bụi nhờ trang bị các bộ lọc công nghiệp đúng tiêu chuẩn Có thể lọc đến 99% lượng bụi bay theo khói, như vậy lượng bụi bay theo khói là không đáng kể, nằm trong khoảng 100 – 120mg/Nm3

 Không có hiện tượng đóng xỉ trong các dàn ống sinh hơi đặt trong buồng lửa và bề mặt các ống nhúng chìm trong tầng sôi, giảm mức độ bám tro các bề mặt truyền nhiệt ở phần đuôi lò

 Chi phí duy trì và sửa chữa thấp

 Tuổi thọ và độ bền cực kỳ cao

Nhược điểm:

 Nồi hơi tầng sôi đa số được sử dụng trong sản xuất công nghiệp và ít sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện

 Lò hơi tầng sôi chỉ đốt được hiểu quả các loại nguyên liệu có kích thước nhỏ và đồng đều

e Lò hơi thu hồi nhiệt (HRSG)

Hình 1,2,1d Lò hơi thu hồi nhiệt Giới thiệu

Lò hơi thu hồi nhiệt (HRSG) là một lò hơi thu hồi năng lượng nhiệt từ các dòng khí nóng của các tua bin khí hoặc hệ thống lò đốt rác

Hơi thu hồi sẽ được sử dụng vào quá trình sản xuất (áp thấp) hoặc là phát điện (áp cao)

Đặc tính kỹ thuật

Công suất bay hơi – tạo hơi: 10.000-200.000 kg/giờ Áp suất hơi vận hành: 100 bar

Nhiệt độ hơi vận hành: 500oC

1.2.2 Bơm nhiệt

Trong tự nhiên, nhiệt lượng di chuyển từ nhiệt độ cao tới thấp Máy bơm nhiệt cho phép nhiệt lượng di chuyển theo chiều ngược lại mà chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ năng lượng cung cấp (từ điện, xăng ) Do đó máy bơm nhiệt có thể vận chuyển nhiệt lượng lấy từ môi trường tự nhiên (như trong không khí, trong nước, trong đất, hoặc từ những hoạt động của con người như sản xuất công nghiệp hay sinh hoạt trong gia đình) tới một căn hộ hoặc một khu nhà cao tầng Về lý thuyết, nhiệt lượng được vận chuyển bởi máy bơm nhiệt tới nơi cần cung cấp sẽ bằng nhiệt lượng lấy từ môi trường cộng với năng lượng dùng để chạy máy bơm Một máy bơm nhiệt chạy điện điển hình có công suất 100 kWh nhiệt lượng với chỉ từ 20-40 kWh điện năng tiêu thụ Một số máy bơm nhiệt dùng trong công nghiệp còn có thể đạt được hiệu năng lớn hơn, ví dụ như công suất 100 kWh chỉ tiêu thụ 3-10 kWh điện năng

Nhờ ưu điểm tiêu thụ ít năng lượng hơn những thiết bị cung cấp nhiệt thông thường, máy bơm nhiệt là một cải tiến kĩ thuật quan trọng trong việc giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường như khí CO2, khí SO2 (sulphur dioxide), khí Nox (nitrogen oxides) Tuy vậy, tác động đến môi trường của máy bơm nhiệt chạy điện còn phụ thuộc nhiều vào việc nguồn điện năng cung cấp được sản xuất như thế nào Nếu nguồn điện được sản xuất từ khí hydro hay những dạng năng lượng tái tạo rõ ràng sẽ giảm ô nhiễm môi trường nhiều hơn là nguồn điện lấy từ than đá, xăng dầu

a Nguyên lý hoạt động và cấu tạo máy bơm nhiệt:

Hình 1.2.2a Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt gồm 4 bộ phận chính: thiết bị bay hơi, máy nén, máy ngưng tụ và van giảm áp nối với nhau tạo thành một vòng kín Một luồng chất lưu dễ bay hơi, gọi là lưu chất vận động (working fluid) luân chuyển trong máy bơm với nhiệm vụ vận chuyển nhiệt lượng lấy từ môi trường ngoài cung cấp cho môi

trường tiếp nhận:

- Đầu tiên, máy bơm sẽ thu nhiệt lượng từ môi trường ngoài và được

luồng lưu chất vận động (lúc này ở dưới dạng hơi, áp suất thấp, nhiệt độ khoảng 10 độ C) vận chuyển tới máy nén

- Tại máy nén, luồng lưu chất vận động bị nén sẽ tăng nhiệt độ (lên khoảng 80 độ C), đồng thời nhiệt lượng được luồng lưu chất vận động mang theo bên mình cũng sẽ tăng theo

- Sau đó luồng lưu chất vận động ở nhiệt độ cao này được chuyển tới máy ngưng tụ, tại đây lưu chất vận động khi ngưng tụ thành chất lỏng sẽ giải phóng nhiệt lượng mang theo bên mình (nhiệt lượng này thu được từ môi trường ngoài và từ quá trình nén tại máy nén) để cung cấp cho thiết bị sưởi

- Lúc này lượng lưu chất vận động (ở trạng thái lỏng, áp suất cao) sẽ đi qua van giảm áp để đưa lại về máy sấy, sau đó nó được sấy thành luồng lưu chất vận động mới (ở dạng hơi, áp suất thấp) và mang theo nhiệt lượng thu từ môi trường ngoài tiếp tục một chu trình mới

b Ưu điểm: tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao, dễ dàng lắp đặt và bảo vệ môi

d Cấp nhiệt bằng máy bơm nhiệt- khí

Đây là nguồn nhiệt hoàn toàn miễn phí, khí chủ yếu là CO2 và là nguồn nhiệt phổ biến hiện này của các máy bơm Nhiệt lượng do máy bơm nhiệt dạng này cung cấp có thể sử dụng để làm ấm trực tiếp không gian bên trong, hoặc cung cấp cho các lò sưởi và các bình nước nóng Loại máy bơm sử dụng nguồn nhiệt lấy từ không khí có ưu điểm là lắp đặt dễ dàng, chi phí rẻ hơn các loại máy bơm khác, thích hợp để thay thế các loại lò sưởi điện thông thường

e Cấp nhiệt bằng máy bơm nhiệt- nước

Các máy bơm nhiệt sử dụng nguồn nước có ưu điểm là lắp đặt dễ và hoạt động ổn định, hiệu suất tương đối Tuy vậy cần phải tìm được nguồn nước thích hợp ở gần nơi lắp đặt, chỉ thích hợp với các lò sưởi nhiệt độ thấp hoặc các hệ thống sưởi cho sàn nhà, thêm vào đó khi lắp đặt cần lưu ý các vấn đề về chống ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm khu vực đất xung quanh

1.2.3 Cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời không những là một nguồn năng lượng vô hạn, mà còn là nguồn năng lượng sạch, không tổn hại đến môi trường Con số 2% năng lượng mặt trời được sử dụng hiện nay trên thế giới tuy rất khiêm tốn, nhưng đã đủ đun nóng 65% lượng nước dùng cho sinh hoạt và sưởi ấm của con người

Có khoảng một phần ba vỏ trái đất chứa nguyên tố Si - thành phần chính để chế tạo ra các thiết bị có khả năng biến sức nóng mặt trời thành điện năng Như vậy, trong tương lai gần, mặt trời sẽ là nguồn năng lượng chủ yếu phục vụ nhu cầu tiêu dùng – sinh hoạt của con người trên trái đất

ở Việt Nam, mặt trời có cường độ bức xạ lớn, tiềm năng năng lượng là vô tận Nhiều cơ sở khoa học đã đầu tư nghiên cứu, chế tạo tế bào quang điện, pin mặt trời thành công và đưa vào ứng dụng, tuy nhiên, do chúng ta thiếu vốn và chưa đủ điều kiện để có thể sản xuất theo quy mô công nghiệp, nên việc ứng dụng vào thực tiễn đời sống và sản xuất còn rất hạn chế

Về lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời cho trung tâm cấp nhiệt có quy mô lớn như các khách sạn, chung cư cao tầng thì vẫn còn nhiều hạn chế do giá thành đầu tư cao, kỹ thuật hạn chế cũng như sự phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, số giờ nắng trong ngày Dưới đây là 2 sơ đồ trung tâm cấp nhiệt dùng thiết bị đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

a, Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên có thiết bị đốt nóng bổ sung

Hình 1.2.3a Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiên có thiết bị đốt nóng bổ sung

1, Bộ thu 2, bể chứa 3, thiết bị đốt nóng bổ sung

NN: nước nóng ra NL: nước lạnh vào

Sơ đồ nguyên lý: trong hệ thống tuần hoàn tự nhiên, bể chứa được đặt cao hơn

bộ thu Nước ở bên trong bộ thu sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời từ tấm hấp thụ, làm cho nước nóng lên dẫn đến mật độ các phân tử nước giảm, nước sẽ nhẹ hơn và chảy về bể chứa Nước lạnh từ bể chứa sẽ chảy về phần phía dưới của bộ thu Vào ban đêm vì không có năng lượng mặt trời nên bộ thu lạnh đi dẫn đến không có sự tuần hoàn của nước trong hệ thống

Bể chứa thường được cách nhiệt rất tốt để hạn chế tổn thất nhiệt , từ đây nước nóng được phân phối cho hộ tiêu thụ tuỳ theo nhu cầu sử dụng Ngoài ra người ta thường hay bố trí thêm thiết bị đốt nóng bổ sung để dự phòng khi mà nhiệt độ nước nóng cấp cho hộ tiêu thụ không được đảm bảo Ví dụ như: những ngày trời nhiều mây, trời có mưa, vào mùa đông…

b Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời tuần hoàn cưỡng bức có thiết bị đốt nóng bổ sung

Hình 1.2.3b Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời tuần hoàn cưỡng bức có thiết bị đốt bổ sung

1- Bộ thu; 2- Bể chứa; 3- Thiết bị đốt nóng bổ sung 4- Thiết bị điều khiển; 5- Bơm; 6- Van kiểm tra

NN- nước nóng đến nơi tiêu thụ; NL- nước lạnh vào

Nguyên lý làm việc: nước lạnh từ bể nước bên ngoài đưa vào bể chứa Dưới tác

dụng của bơm 5, nước từ bể chứa được đẩy lên bộ thu và nhận được nhiệt từ nguồn năng lượng mặt trời làm cho nước nóng lên rồi chảy về bể chứa Từ đây,

nước được phân phối cho hộ tiêu thụ tuỳ theo nhu cầu sử dụng Trên đường đến hộ tiêu thụ người ta còn lắp đặt thêm một bộ gia nhiệt nước bổ sung, nó được dùng khi mà nhiệt độ nước nóng không đảm bảo được nhu cầu của hộ tiêu thụ Thiết bị điều khiển 4 trong hệ thống lấy 3 tín hiệu: từ bộ thu 1, từ van 5, từ bể chứa 2

Trong trường hợp này, không nhất thiết phải đặt bể chứa cao hơn bộ thu vì hệ thống đã được trang bị một bơm nước tuần hoàn, nhằm duy trì chế độ tuần hoàn của nước trong bộ thu Ngoài ra người ta còn lắp đặt thêm một van kiểm tra để ngăn chặn sự tuần hoàn ngược của nước và tránh tổn thất nhiệt vào ban đêm của bộ thu

ưu điểm của các sơ đồ này có thể thấy rõ là chỉ cần vốn đầu tư ban đầu, chi phí vận hành thấp, không tiêu tốn nhiên liệu và không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khu vực Nam Trung Bộ và Nam Bộ là những nơi có cường độ bức xạ của mặt trời lớn, số giờ nắng trong ngày cao

Bên cạnh đó, những nhược điểm của chúng cũng không dễ khắc phục như chi phí đầu tư khá cao, chiếm diện tích mặt bằng khá lớn, sự phụ thuộc nhiều vào thời tiết bên ngoài, đặc biệt là thời tiết về mùa đông ở miền Bắc nước ta Muốn khắc phục nhược điểm về thời tiết thì cần sử dụng thiết bị gia nhiệt bổ sung Sơ đồ này chỉ phù hợp với các hộ tiêu thụ nhỏ như gia đình, nhà nghỉ chứ không phù hợp với công trình lớn như khách sạn và biệt thự vì trữ lượng nước nóng cung cấp không được cao Hơn nữa, sơ đồ này chỉ đáp ứng được nhu cầu nước nóng chứ không đáp ứng được nhu cầu về nhiệt cao cấp khác như dùng hơi để sấy sưởi, xông hơi

1.2.4 Các nguồn nhiệt khác A Địa nhiệt

a) Khái niệm

Năng lượng địa nhiệt là một dạng năng lượng tự nhiện ở sâu trong lòng đất, phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai trong lòng trái đất, từ nhiệt ma sát do các phiến lục địa trượt lên nhau, và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại tự nhiên với 1 lượng nhỏ trong đá Trữ lượng năng lượng địa nhiệt là rất lớn, nếu không muốn nói là vô tận Các nhà khoa học đã ước tính rằng chỉ cần 1 phần trăm lượng nhiệt chứa trong lớp 10 km phía trên vỏ trái đất đã tương đương với 500 lần năng lượng mà các nguồn dầu, khí của trái đất mang lại Một số dạng biểu hiện của năng lượng địa nhiệt trên bề mặt trái đất hình dưới:

Hình 1.2.4a Các dạng biểu hiện của của ngồn địa nhiệt thường quan sát được

trên mặt đất như lỗ/khe núi lửa ( fumarole), suối nước nóng ( hot spring), bọt bùn ( mud pot) và một số các dạng khác ( Nguồn: Geothermal Education

Office)

b) Phân loại các nguồn địa nhiệt

 Nguồn áp suất địa nhiệt: Độ sâu từ 1500m đến 15000m, nhiệt độ của các

nguồn áp suất địa nhiệt thường ở trong khoảng 90ᵒC đến 200ᵒC

 Nguồn nước nóng: Nhiệt độ cao hơn 240ᵒC

 Nguồn đá nóng khô: Nhiệt độ từ 90ᵒC đến 650ᵒC

 Nguồn năng lượng địa nhiệt từ các núi lửa hoạt động và magma: Đá

nóng chảy có nhiệt độ từ 700ᵒC đến 1600ᵒC độ sâu khoảng 24 đến 48km phần vỏ của Quả Đất

c) Các ứng dụng của địa nhiệt

 Sản xuất điện năng: người ta có thể khoan các giếng xuống các bể địa

nhiệt để hút hơi nước hoặc nước nóng cho việc vận hành turbine trên mặt đất, một cách trực tiếp hoặc gián tiếp

 Sử dụng trực tiếp: nguồn nước nóng gần bề mặt Trái Đất có thể được sử

dụng trực tiếp như nhiệt lượng Một số ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt là: hệ thống suởi, nhà kính, sấy thóc, làm ấm nước ở các trại nuôi cá, hoặc một số các ứng dụng trong công nghiệp như tiệt trùng sữa

 Bơm địa nhiệt: hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất

(ground-source heat pump), là một kỹ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong công sở Kỹ thuật này ứng dụng trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng Thuận

lợi lớn nhất của nó là khả năng tập trung nhiệt từ tự nhiên (lòng đất) hơn là tạo nhiệt từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường

B Sử dụng nhiệt thải ở nhà máy nhiệt điện

Sơ đồ cấp nhiệt sử dụng nhiệt thải ở nhà máy nhiệt điện thường áp dụng cho các nơi có nhu cầu sử dụng nhiệt lớn và phải có trạm cấp nhiệt trung tâm tâm nhiệt điện

Ưu điểm: Không cần các nồi đun, đơn giản, không cần cung cấp nhiên liệu, dễ quản lí, hiệu suất cao, chất lượng đảm bảo Nhược điểm: Chỉ áp dụng với những nơi có nguồn cấp nhiệt bên ngoài hoặc trạm cấp nhiệt trung tâm Tiêu tốn khá lớn ống dẫn, tổn thất nhiệt lớn nên giá thành cao Hơn nữa, nó phụ thuộc rất nhiều vào trung tâm cấp nhiệt bên ngoài về công suất cũng như phạm vi dùng nhiệt Không chủ động trong quá trình hoạt động lúc công suất thay đổi theo nhu cầu hàng ngày Vậy không thích hợp với những nơi có nhu cầu dùng nhiệt không điều hòa như bể bơi, khách sạn

1.3 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Hình 1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc

1.3.1 Định nghĩa

Trong đời sống sinh hoạt hay trong công nghiệp chúng ta luôn gặp yêu cầu cần đốt nóng hay làm nguội một chất lỏng hay chất khí ( hoặc chất rắn nào đó ), thiết bị nhằm thực hiện yêu cầu đó gọi là thiết bị trao đổi nhiệt Chất lỏng hay chất khí tham gia quá trình trao đổi nhiệt được gọi là chất mang nhiệt hay môi chất

Thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết bị được chế tạo cho truyền nhiệt hiệu quả bộ phận này sang bộ phận khác

Thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi trong sưởi ấm không gian, điện lạnh, điều hòa nhiệt độ, nhà máy điện, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu, dầu khí nhà máy lọc dầu, khí tự nhiên, chế biến và xử lý nước thải Một ví dụ phổ biến của một bộ trao đổi nhiệt là trong điều hòa không khí, khi chúng có mặt ở dàn bay hơi và dàn ngưng.Với xe hơi, trong đó nước được sử dụng để chuyển nhiệt của động cơ đến bộ tản nhiệt ra không khí và làm mát động cơ

1.3.2 Phân loại

Ta phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo các kiểu:

- Theo chiều chuyển động của môi chất: Ta có chuyển động song song ( cùng chiều, ngược chiều, vừa cùng chiều vừa ngược chiều ), chuyển động cắt nhau ( một lần, nhiều lần )

- Theo công dụng của thiết bị: Thiết bị gia nhiệt ( nồi nấu, lò hơi ); thiết bị làm mát (tháp giải nhiệt nước, bình làm mát dầu); Bình ngưng, bình bay hơi, cô đặc,…

- Theo sự hoạt động của môi chất: Liên tục ( bình ngưng, bình bay hơi ) - cơ cấu truyền nhiệt ( 1 pha/ 2 pha )

- Theo chu kỳ ( nồi nấu, bộ sấy không khí hồi nhiệt ) - Theo nguyên lý làm việc của thiết bị

a) Thiết bị TĐN bề mặt ngăn cách hoạt động liên tục

Ở đây dòng chất lỏng ( khí ) nóng truyền nhiệt cho dòng chất lỏng (khí ) lạnh qua bề mặt vách rắn ngăn cách một cách liên tục Tùy theo hình dạng của vách ngăn ta có thiết bị kiểu tấm, thiết bị kiểu ống Thực tế chúng ta thường gặp loại thiết bị này Ví dụ như các bình ngưng, bình bốc hơi, bộ quá nhiệt, bộ sấy không khí, calorife trong thiết bị sấy, giàn bốc hơi của thiết bị cô đặc, chưng cất,…

 Kiểu ống trơn:

Thiết bị lỏng – khí: lỏng chuyển động trong ống còn khí chuyển động cắt ngang ngoài ống Ví dụ bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện

Thiết bị khí – khí: Khói đi trong ống còn không khí cắt ngang ngoài chùm ống Ví dụ bộ sấy không khí nhà máy nhiệt điện, Calorife- khói của thiết bị sấy Thiết bị khí –hơi: Hơi nước đi trong ống còn khói cắt ngang ngoài chùm ống ( thường bố trí song song ) Ví dụ bộ quá nhiệt trung gian: đốt nóng hơi ra khỏi phần cao áp của tuabin, dùng khói để đốt nóng hơi nước

 Kiểu ống bọc ống:

Hình 1.3.a1 Trao đổi nhiệt kiểu ống bọc ống

Ở đây ống bên ngoài có đường kính trong D bao bọc trong ống có đường kính d2/d1 Ống trong có thể chỉ gồm 1 ống hoặc nhiều ống Có thể là ống trơn hoặc có cánh dọc theo chiều dài ống ở bên ngoài Các ống ngoài được nối tiếp với nhau bằng đoạn ống nối, còn các ống trong được nối tiếp bằng đoạn ống uốn

cong Chuyển động môi chất thường được nối tiếp bằng đoạn ống uốn cong Chuyển động môi chất thường được bố trí ngược chiều trong đó một môi chất đi bên trong ống nhỏ, một môi chất đi bên trong không gian giữa hai ống

Người ta sử dụng thiết bị này vào nhiều mục đích khác nhau:

- Ngưng tụ hơi môi chất lạnh ( bình ngưng kiểu ống bọc ống ), ở đây nước lạnh chảy bên trong ống nhỏ còn hơi môi chất lạnh nhả nhiệt cho nước ngưng tụ bên ngoài ống nhỏ

- Làm quá lạnh chất lỏng của môi chất lạnh ( bình quá lạnh lỏng NH3 ), ở đây nước lạnh chảy trong ống nhỏ còn lỏng NH3 chảy giữa các ống

- Đốt nóng nước, nước để đốt nóng chảy trong ống nhỏ,còn nước được đốt nóng chảy giữa các ống

- Làm mát dầu, nước lạnh chảy trong các ống nhỏ, thường được làm cánh bên ngoài, dầu cần làm mát chảy giữa các ống

 Kiểu ống vỏ:

Hình 1.3.a2 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ

Chùm ống được lắp đặt trong 1 vỏ hình trụ, sử dụng các tấm chắn vừa để đỡ ống, vừa để hướng dòng Khoảng hở giữa tấm chắn và vỏ, giữa ống và tấm chắn phải đủ để có thể tháo lắp

Một môi chất cho đi trong các ống nhỏ, môi chất khác đi trong không gian giữa các ống và chuyển động dọc theo các ống nếu không có tấm chắn, hoặc chuyển động cắt ngang và dọc theo các ống khi có các tấm chắn để tăng cường các quá trình trao đổi nhiệt và chống rung động cho các ống

Thiết bị kiểu ống vỏ được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau:

- Làm bình ngưng tụ môi chất ví dụ bình ngưng hơi nước trong nhà máy nhiệt điện hoặc bình ngưng hơi môi chất lạnh của máy lạnh

- Làm bình bốc hơi ( bay hơi ) trong máy lạnh Ở đây có hai loại tùy theo việc cho chất lỏng bốc hơi bên ngoài ống nhỏ hoặc bên trong ống nhỏ Khi cho chất lỏng của môi chất lạnh sôi bên ngoài ống nhỏ, nếu là NH3 thì ống bằng thép không có cánh còn nếu là Freon, ống bằng đồng và có cánh tại mặt ngoài; nước hoặc dung dịch muối được làm lạnh chảy bên trong ống nhỏ Khi cho chất lỏng của môi chất lạnh sôi ở bên trong ống thì các ống nhỏ đều không có cánh, nước hoặc dung dịch muối chuyển động bên ngoài ống và ở đây có các tấm chắn để tăng chuyển động của chất lỏng

- Làm bình làm mát dầu

- Bình quá lạnh (hay hổi nhiệt)

 Kiểu ống có cánh:

Hình 1.3.a3 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống có cánh

Cánh thường ở mặt ngoài ống, trong đó không khí hoặc khí chuyển động cắt ngang hoặc dọc theo bề mặt ngoài ống có cánh, cánh sẽ được gắn về phía có hệ số truyền nhiệt nhỏ ( không khí, khói,… ) Các dạng cánh thường thấy là cánh tròn hoặc cánh hình chữ nhật

 Kiểu tấm:

Hình 1.3.a4 Thiết bị trao đổin nhiệt kiểu tấm

Các thiết bị TĐN kiểu tấm và kiểu hình xoắn ốc được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, hóa dầu, thực phẩm cũng như trong các ngành công nghiệp khác

Chúng có các ưu điểm nổi bật như:

- Diện tích TĐN trên một đơn vị thể tích lớn nên thiết bị rất gọn, nhẹ - Không cần không gian phụ cho tháo dỡ, bảo dưỡng

- Các tấm có cấu tạo giống nhau nên dễ dàng sản xuất trên quy mô lớn khiến cho chi phí giảm

- Dễ dàng tạo ra cấu trúc gây dòng rối trên bề mặt tấm từ đó nâng cao hiệu quả truyền nhiệt

- Làm việc hiểu quả với cả môi chất có độ nhớt cao

- Lượng chất lỏng chứa trong thiết bị rất ít, đáp ứng nhu cầu nhanh với điều kiện quy trình công nghệ mới và dễ dàng điều khiển

Nhưng kèm theo đó, thiết bị TĐN kiểu tấm cũng có những nhược điểm: Với kiểu lắp ghép: gioăng dễ bị lão hóa và sơ cứng từ đó gây rò rỉ Với kiểu hàn: do bám bẩn nên phải thường xuyên kiểm tra p và k

 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng xoắn ốc:

Hình 1.3.a5 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu dạng xoắn ốc

b) Thiết bị TĐN bề mặt ngăn cách hoạt động theo chu kỳ

Ở đây dòng chất lỏng ( khí ) nóng truyền nhiệt cho khối chất lỏng không truyền động qua vách rắn ngăn cách ( các ống ) một cách không liên tục mà theo chu kỳ nhiệt trao đổi giữa hai môi chất giảm dần theo thời gian Ví dụ bình đốt nóng nước tích nhiệt

c) Thiết bị TĐN hồi nhiệt

Ở đây nhiệt từ dòng chất lỏng ( khí ) nóng truyền cho dòng chất lỏng ( khí ) qua vật thu nhiệt Giai đoạn đầu dòng môi chất nóng nhả nhiệt đốt nóng vật thu nhiệt, giai đoạn sau vật thu nhả nhiệt cho dòng môi chất lạnh Tùy theo sự chuyển động của vật thu nhiệt ta có: Thiết bị hồi nhiệt hoạt động chu kỳ ( tháp sấy gió nóng cho các lò cao ), ở đây vật thu nhiệt không chuyển động: khi vật thu nhiệt chuyển động ta có thiết bị hồi nhiệt hoạt động liên tục ( bộ sấy không khí hồi nhiệt trong nhà máy nhiệt điện )

d) Thiết bị TĐN kiểu ống nhiệt

Hình 1.3.d Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt

Ống nhiệt được chia làm 3 phần: phần bốc hơi, phần đoạn nhiệt (có thể không có) và phần ngưng

Nguyên lý: Chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng trong phần bốc hơi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngưng Tại đây hơi nhả nhiệt qua vách ống cho nguồn lạnh ở ngoài ống và ngưng tụ lại thành chất lỏng ngưng Chất lỏng ngưng tạo thành sẽ chảy về phần bốc hơi nhờ lực: trọng trường hoặc mao dẫn hoặc ly tâm,…

Ở đây dòng chất lỏng (khí) nóng tỏa nhiệt đốt nóng chất lỏng đựng trong ống, sau đó chất lỏng nhả nhiệt cho dòng chất lỏng ( khí ) lạnh Nếu chất lỏng trong không có sự chuyển pha, khi đó thiết bị gọi là xy phông nhiệt, nếu chất lỏng trong ống có sự chuyển pha (sôi và ngưng), thiết bị gọi là ống nhiệt

e) Thiết bị TĐN tiếp xúc

Ở đây dòng chất khí nóng khi tiếp xúc trực tiếp với các hạt chất rắn sẽ truyền nhiệt cho các hạt này, sau đó các hạt này lại nhả nhiệt cho dòng khí lạnh khi tiếp xúc trực tiếp với nhau Ở đây bề mặt trao đổi nhiệt là bề mặt của các hạt chất rắn

2 Các ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt

Công nghiệp tàu thủy: Làm nóng nước sử dụng hơi, hơi, ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm bằng nước biển, làm mát dầu

Công nghiệp hóa chất: Thiết bị trao đổi nhiệt EO/EG, ngưng tụ VOC Hệ thống

thu hồi nhiệt thải áp suất và nhiệt độ cao, Hệ thống ngưng tụ ethanol, gia nhiệt, làm lạnh và ngưng tụ nhiều loại chất lỏng như acid sunfuric, acid nictric, acid acrylic, acid béo

Hệ thống lạnh công nghiệp: Bay hơi hoặc ngưng tụ gas NH3, Gas lạnh R32,

R407

Hvac: Hệ thống làm nóng nước trung tâm, thiết bị tạo nước nóng nhanh sử dụng hơi nước Thiết bị giảm áp tòa nhà sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt Hệ thống thu hồi nhiệt nóng Chiller Thiết bị trao đổi nhiệt hệ thống năng lượng mặt trời, heatpump

Công nghiệp giấy: Thu hồi nhiệt thải, tạo màu giấy…

Thực phẩm: Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống Do yêu cầu gia nhiệt hoặc làm lạnh sản phẩm, thiết bị trao đổi nhiệt có thể được sử dụng để thanh trùng, tiệt trùng, bảo quản thực phẩm, đồ uống như sữa, bia, nước giải khát

Công nghiệp dệt: Thu hồi nhiệt ở quá trình giặt, tẩy rửa

Khí đốt và than đá: Làm lạnh amonia, benzen, gia nhiệt hoặc thu hồi nhiệt quá trình bay hơi CO2

Công nghiệp điện: Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng làm mát dầu tuốc bin sử dụng nước hồ, nước suối, thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống năng lượng mặt trời

1.4 MẠNG NHIỆT 1.4.1 Định nghĩa

-Mạng nhiệt là hệ thống đường ống và các phụ kiện dẫn môi chất lưu động giữa hộ cấp và hộ tiêu thụ nhiệt

-Các phụ kiện là các thiết bị dùng để duy trì và điều khiển sự lưu động của môi chất, như bình chứa, bình góp, bơm quạt, các loại van, thiết bị pha trộn, tê cút, giá treo trụ đỡ ống, cơ cấu bù nở nhiệt, v v

Hình 1.4.1 Sơ đồ mạng nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Hình 1.4.2 Sơ đồ mạng nhiệt trong hệ thống lạnh

1.4.2 Hệ thống đường ống Cấu tạo ống dẫn:

-Gồm 3 lớp vật liệu: ống, lớp cách nhiệt, lớp bảo vệ và phải thỏa mãn các yêu cầu :

-Chịu được nhiệt độ, áp suất và tính ăn mòn của môi chất khi làm việc Khi t, p cao, phải dùng ống kim loại không hàn mép, nối ống bằng hàn hoặc bích

-Có lớp cách nhiệt bằng vật liệu có λ bé, chịu được nhiệt độ vỏ ống, ít hút ẩm, ít mao dẫn, bền lâu

-Có lớp bảo vệ ngoài cùng để cách ẩm chổ ướt lớp cách nhiệt, chịu được tác động của môi trường xung quanh (không khí, đất, nước )

Bố trí đường ống

- Khi lắp đặt đường ống cấp nhiệt cho tòa nhà cần đáp ứng yêu cầu: +Bố trí hộ cấp, hộ tiêu thụ hợp lý

+Đường ống ngắn, gọn, ít tê cút bảo đảm giảm tổn thất nhiệt và thuỷ lực +Không cản trở không gian làm việc, ít ảnh hưởng môi trường

+Vị trí đặt đường ống có thể trong không khí (trong nhà, ngoài trời) dưới mặt đất (ngầm trong đất) hoặc dưới mặt nước (trong nước, trong ống ngầm) Khi đặt ống ngoài trời cần chống ảnh hưởng của mưa gió Khi đặt ống ngầm cần chống ảnh hưởng của nước ngầm và tác dụng ăn mòn của môi trường

a Tính bù giãn nở nhiệt

a.1 Hiện tượng nở đều và ứng suất nhiệt

-Trong các đường ống dẫn nước và hơi ở nhiệt độ cao xảy ra hiện tượng giãn nở nhiệt làm ống nở dài ra và phát sinh trong ống ứng suất nhiệt

-Ứng suất nhiệt khi quá giới hạn cho phép có thể gây ra nứt, gãy ống, làm hư hỏng thiết bị và gây sự cố nguy hiểm Để khắc phục tình trạng này ta dùng cơ cấu bù nhiệt

a.2 Các cơ cấu bù nhiệt cho ống

-Để bù nở nhiệt đường ống ta dùng cơ cấu bù nhiệt hàn vào giữa đường ống Cơ cấu này gồm một ống liền được uốn cong hình chử U, chử S hoặc chử Ω với các bán kính cong R xác định theo qui phạm, phụ thuộc đường ống và vật liệu

Hình 1.4.3 Cơ cấu bù nhiệt cho ống

Các cơ cấu bù nhiệt: chử U (a), chử S (b), chử Ω (c)

1.4.3 Các loại van

Các loại van sử dụng trong mạng nhiệt thường có chức năng điều chỉnh hay kiểm soát dòng chảy của môi chất chảy đi trong đường ống

a Van giảm áp

-Van giảm áp dùng để ổn định áp suất đầu ra theo yêu cầu và điều chỉnh áp suất an toàn cho hệ thống Khi thiết bị hoặc áp lực đường ống tăng cao bộ áp lực của van giảm áp sẽ tự động mở để đảm bảo áp lực của thiết bị và đường ống Chính vì thế mà van giảm áp còn được gọi là van điều áp_ Duy trì áp suất đầu ra của van thấp hơn đầu vào, trước khi đưa vào máy hoặc hệ thống sử dụng

Hình 1.4.3a Van giảm áp sử dụng trong các tòa nhà

-Thông thường ở các tòa nhà cao tầng để cung cấp nước sinh hoạt cho từng tầng nước sẽ được hệ thống máy bơm bơm lên bể chứa ở tầng thượng Sau đó, nước ở tầng thượng sẽ được phân phối đến các tầng, các căn hộ Vì nguồn nước từ trên cao đổ xuống cộng thêm áp lực nước tăng do người ta sử dụng van tăng áp để bơm nước tạo nên áp lực nước rất lớn, nếu không dùng van giảm áp lực nước, các thiết bị xử lý nước sẽ gặp khó khăn, thậm chí nếu áp lực nước quá mạnh, các thiết bị xử lý nước sẽ bị hỏng

-Để đảm bảo áp lực nước trong các tầng là như nhau thì chúng ta cần lắp đặt thêm các van giảm áp tại các tầng ngay đầu ống nhánh của từng tầng

b Van cân bằng nhiệt

-Trong các hệ thống hồi nhiệt, khi nước nóng ở các hộ tiêu thụ giảm xuống dưới nhiệt độ cho phép sẽ được hồi về bể nước hồi đặt trên cao Ở cuối mỗi nhánh chính, tại tầng kỹ thuật, ta bố trí đường hồi khi nhiệt độ t < 500C

-Van cân bằng nhiệt hay còn gọi là van hồi nhiệt được lắp trên đường hồi của mỗi nhánh đường hồi qua mỗi đơn vị sử dụng như nhà tắm, nhà bếp, nhà vệ sinh… Van cân bằng nhiệt nhận tín hiệu nhiệt độ ở cuối đường ống cấp nước nóng, khi nhiệt độ nước nóng đạt đến nhiệt độ chỉ định van mở cho phép nước nóng hồi về Hộp cân bằng nhiệt nội bộ tự động điều chỉnh dòng chảy để đảm bảo nhiệt độ không đổi trong hệ thống đường ống tuần hoàn

Hình 1.4.3b Sơ đồ hệ thống hồi nhiệt trong tòa nhà

c Van tiết lưu

Hình 1.4.3c Van tiết lưu nhiệt

Khái niệm

Van tiết lưu nói chung hay van tiết lưu khí nén, van tiết lưu thủy lực, van tiết lưu máy lạnh, van tiết lưu sang A, nói riêng là thuật ngữ để chỉ một loại van có chức năng điều chỉnh lưu lượng dung môi (chất lỏng) trong hệ thống thủy lực hoặc là trong một bộ phận thủy lực Từ đó mà cho khả năng điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành động cơ thủy lực

Loại van này có tên gọi tiếng Anh là Throttle Hiện nay, loại van này là một trong những bộ phận có vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống máy móc công nghiệp như hệ thống làm lạnh, hệ thống thủy lực, máy ép, xe chuyên dụng, máy nén khí,

máy rửa xe, Tùy vào từng loại van mà được ứng dụng vào từng loại máy móc khác nhau

Nguyên lý hoạt động của van tiết lưu

Hiện nay có nhiều loại van tiết lưu, mỗi loại lại sẽ có những khác biệt trong quá trình vận hành Tuy nhiên phần nhiều loại đều vận hành theo nguyên lí sau: Khi dòng môi chất đi qua van được lắp trên đường ống thì áp suất môi chất sẽ giảm xuống do ma sát mạnh và những dòng xoáy được sinh ra Áp suất sẽ phụ thuộc vào bản chất, trạng thái môi chất cũng như độ co hẹp của ống dẫn và tốc độ dòng chảy

Cách điều chỉnh van tiết lưu thường làm cho hiệu suất môi chất giảm đi tuy nhiên đôi khi chúng ta phải tạo ra sự tiết lưu để điều chỉnh công suất các thiết bị đo lưu lượng, sử dụng hơi nước, giảm áp,

Tốc độ của dòng khí sẽ tăng lên ở trong lỗ Khi đi qua lỗ, tốc độ khí giảm, áp suất đồng thời tăng nhưng không bằng ban đầu Vận tốc khí thay đổi, áp suất giảm dẫn tới khối lượng riêng tăng

d Các thiết bị khác

-Ngoài những thiết bị kể trên trong hệ thống mạng nhiệt còn có các thiết bị khác như bẫy hơi, hệ thống bình chứa, bơm, …

Hình 1.4.3d1 Bẫy hơi

Hình 1.4.3d2 Bơm ly tâm

Hình 1.4.3d3 Bình chứa dung tích 2500 lít

Hình 1.4.3d4 Cóc ngưng mặt bích

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẤP NHIỆT 2.1 Cấp hơi

Hơi bão hòa từ 2 lò hơi cấp vào ống góp phân phối hơi Từ ống góp phân phối hơi cấp hơi cho các hộ tiêu thụ nhiệt bằng ống thép đen Đường thứ nhất cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt trên mái để cung cấp nước nóng, đường thứ 2 cấp hơi cho phòng giặt là, đường thứ 3 cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt ở bể bơi nhằm gia nhiệt cho bể bơi, đường thứ 4 cấp hơi cho khu nhà bếp để nấu ăn

2.2 Gia nhiệt cho nước

Heat pump sẽ gia nhiệt cho nước lạnh từ 16oC lên 60oC (vì nhiệt độ phổ biến mà Heat pump có thể đạt tới là 60oC), sau đó nước 60oC sẽ được đưa vào bình bảo ôn cách nhiệt Hơi từ lò hơi sẽ tiếp tục gia nhiệt cho nước trong bình bảo ôn tăng từ 60oC lên tới nhiệt độ yêu cầu là 75oC

Hơi sau khi gia nhiệt cho nước nóng trong bình nước nóng tăng từ 60oC lên 75oC sẽ được đưa trở lại về lò hơi, tại cửa vào của lò ta bố trí van để khi nước trong lò thấp hơn yêu cầu, ta sẽ bổ sung nước mềm cấp vào

Để tiết kiệm chi phí hoạt động cho Heat pump, ta sẽ cho Heat pump chạy trước trong khung giờ thấp điểm (22h-4h), nước nóng 60oC khi đó sẽ được đưa vào bình bảo ôn cách nhiệt có thể lên tới 72h

2.3 Gia nhiệt cho bể bơi

Nước từ bể nước chảy vào calorifel trao đổi nhiệt ở bể bơi để gia nhiệt cho nước lạnh rồi cấp nước nóng cho bể bơi

2.4 Cấp nước nóng cho khách sạn

Lợi dụng trọng lượng của cột nước ta áp dụng phương pháp cấp nước nóng ở trên cao bằng cách đặt bể nước nóng ở trên mái Nước nóng sau khi qua bình gia nhiệt mạng đặt tại trên mái được đưa tới bể dự trữ nước nóng Tại đây, nước nóng theo đường nước nóng chính đi tới ống phân phối nước nóng chia ra các đường nước cấp nước nóng theo các hộp kỹ thuật dẫn xuống các phòng tắm sử - Lượng nước sử dụng của một điểm trong giờ cao điểm (G401p): 250 l/h - Hệ số đồng thời thuê phòng của khách (K1): 0,75 - Hệ số sử dụng nước trong cùng một thời điểm (K2): 0,8

- Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt(η): 0.85 - Cấp hơi cho nhà bếp:

+ Nấu ăn cho khoảng: 1200 suất + Áp suất hơi yêu cầu: 3,5kg/cm2 - Cấp hơi cho khu giặt là:

+ Lượng hơi: 800kg/h + Áp suất hơi yêu cầu: 4kg/cm2 - Gia nhiệt cho bể bơi

+ Dung tích bể: 200 m3 + Nhiệt độ nước nóng trong bể bơi (t4): 28 oC + Hệ số tổn thất nhiệt trong bể bơi Ktt: 1,3 + Hệ số toả nhiệt của nước ra không khí α: 15 W/m2.K

2.6 Tổng quan về thiết bị nguồn cấp nhiệt

Đối với tòa nhà thì nước nóng để tắm chỉ sử dụng vào các giờ cao điểm chủ yếu là sáng sớm hay chiều tối còn những khung giờ khác sử dụng ít Vì thế tính toán nhiệt cho hệ thống được quy về bài toán tính lựa chọn công suất nhiệt của hệ thống sao cho đủ cung cấp nhiệt phục vụ cho các giờ cao điểm

- Lượng nước sử dụng ở 40 oC tiêu thụ trong giờ cao điểm của 198 phòng

Vậy trong 1 giờ cao điểm, tòa nhà trên tiêu thụ lượng nước nóng ở 75 oC là 17451 lít Chọn đun nước trước giờ cao điểm để giảm tải cho lò hơi Ta chọn 1 bể chứa 9000 lít và 2 thiết bị đun nóng nước 4500 lít/h

2.6.1 So sánh chi phí sử dụng nhiên liệu

Ta có lượng nhiệt mà cần thiết để 100l nước tăng từ 16oC lên đến 75oC là:

Q=m.Cp.T , trong đó Q: Nhiệt lượng ( kJ ) m: Khối lượng cần gia nhiệt (Kg)

Cp = 4,174(kJ/kgK): Nhiệt dung riêng của nước ở 45,5oC

T= T2-T1: Độ chênh nhiệt độ yêu cầu và ban đầu Khi đó:

Q=m.Cp.T=100.4,174.(75-16)= 24626,6 (kJ)

Vậy để 100 lit nước tăng từ 16oC lên 75oC cần một lượng nhiệt là 24626,6 kJ - Gia nhiệt bằng khí hóa lỏng LPG

Ta có nhiệt trị của khí hóa lỏng LPG từ 39927-54900 KJ/Kg, ta chọn khoảng 45000 (kJ/Kg)

Khi đó, khối lượng khí hóa lỏng LPG cần thiết là: m=Q/(Hu.) với m: khối lượng (Kg)

Hu: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/Kg) : Hiệu suất của lò đốt LPG

Khi đó, m = 24626,6

45000×0,9 = 0,608(kg) Với giá LPG là 23000VND/kg

Chi phí: 0,608.23000= 13984 (Đồng) - Gia nhiệt bằng than:

Ở đây, ta sử dụng than ít bitum loại B với nhiệt trị 22158 – 24490 (kJ/kg), ta chọn 23000 (kJ/kg)

m= 24626,6

23000×0,7 =1,52 (kg)

Chi phí sẽ là: 1,52.5000=7600 VND với giá than 5000VND/kg - Gia nhiệt bằng trấu nén

Nhiệt trị của trấu nén ta lấy là 15600 (kJ/kg) m= 24626,6

15600×0,7 =2,26 (kg)

Chi phí sẽ là: 2,26.1500=3390 VND với giá trấu nén 1500 VND/kg - Gia nhiệt bằng Heat pump

Lượng nhiệt cần là 24626,6 kJ = 6,84 kWh

Lượng điện tiêu thụ (với COP=4,5, hiệu suất 0,9) = 6,84

4,5×0,9 = 1,69 kWh

Với giá điện hiện nay là 2000VNĐ/KWh thì giá sẽ là 3380 VND - Gia nhiệt bằng điện trực tiếp

Lượng nhiệt cần là 24626,6 kJ = 6,84 kWh

Lượng điện tiêu thụ (hiệu suất thiết bị gia nhiệt là 0.9) 6,84

0,9 = 7,6 kWh Với giá điện hiện nay là 2000VNĐ/KWh thì giá sẽ là 15200 VND

- Gia nhiệt bằng dầu D.O

Nhiệt trị của dầu D.O là 40000KJ/Kg m= 24626,6

40000×0,9 = 0,68 kg

Chi phí sẽ là: 0,68.12000=8160 VND với giá dầu DO là 12000 VND/lit

Vậy nếu sử dụng dầu DO thì chi phí để 100 lit nước tăng từ 16oC lên tới 75oC là 8160 VND

Bảng 1 So sánh các loại nhiên liệu để nâng 100 lit nước từ 15oC lên tới 75oC Tên nhiên liệu Nhiệt trị

Từ bảng trên ta thấy bơm nhiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất khi tính về chi phí gia nhiệt cho 100 lit nước từ 16oC lên 75oC

Ta sẽ chọn lò hơi đốt dầu DO với bơm nhiệt để thực hiện quá trình cấp nhiệt cho khách sạn như bài toán đã đặt ra Lý do là ta chọn dầu DO thay vì than là lò hơi đốt dầu sẽ ít khí thải hơn và đỡ ô nhiễm hơn, an toàn, dễ dàng tự động hóa Còn khí hóa lỏng LPG có chi phí lớn nên ta không chọn

2.6.2 Chọn công suất bơm nhiệt

Vì bơm nhiệt phổ biến hiện nay chỉ có thể nâng nhiệt độ đạt tới 60oC nên lượng nhiệt để nâng nước từ 16oC lên 60oC cho 9000l sẽ là

Ta có:

Q=V.ρ.cp.T= 9.993.4,174.(60-16) = 164133,5(kJ/h) Trong đó: G là khối lượng nước (kg/h)

ρ khối lượng riêng của nước ở 37,5oC là: 993(kg/m3) cp nhiệt dung riêng của nước ở 37,5oC là: 4,174 (kJ/kg.K) Mỗi giây bơm nhiệt phải cấp: Q Bảng thông số kỹ thuật của một số thiết bị bơm nhiệt

THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MÁY BƠM NHIỆT CÔNG NGHIỆP- WATER HEATER HEAT PUMPS