bài giảng thiết bị trao đổi nhiệt tàu thuỷ

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:

Trong đó:
tf1, tf2 (oC) là nhiệt độ của chất trao nhiệt và chất nhận nhiệt (tf1
> tf2).
α1, α2 (W/m2độ) là hệ số tỏa nhiệt từ chất trao nhiệt tới bề mặt
rắn và từ bề mặt rắn tới chất nhận nhiệt.
λ (W/mđộ) là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo bề mặt rắn.


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 hâm


 Bầu làm mát (bầu sinh hàn)


 Bầu làm mát (bầu sinh hàn)

1.

Nắp trước

5.

Tấm ngăn

10. Mặt sàng cố định

2.

Đường nước ngọt vào

6.

Ống TĐN

11. Nước biển vào

3.

Vỏ bầu

7.

Nước ngọt ra

12. Cửa xả cặn

4.

Thanh chằng

8.

Nước biển ra

13. Mặt sàng di động

9.

Nắp sau

14. Kẽm chống mòn


 Thiết bị chưng cất
4

3

2
1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Nguồn gia nhiệt
Khoang bay hơi
Bình ngưng
Bơm hút chân không
Nước làm mát
Bơm nước ngưng
Nước biển vào
Bơm hút nước muối

5
7
8
6


 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.
Trở kháng thủy lực càng nhỏ càng tốt.
Bề mặt trao đổi nhiệt ít bị bám bẩn, dễ dàng làm sạch, dễ dàng sửa chữa.
Bảo đảm ngăn cách các dòng môi chất nóng và lạnh tốt để tránh hiện tượng hai dòng môi chất
hòa trộn vào nhau.
Thiết bị phải đảm bảo an toàn khi vận hành, có tuổi thọ cao, có kết cấu đơn giản để dễ dàng lắp
đặt, vận hành và bảo dưỡng.

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.


Chu trình Rankine

1-2: Dãn nở đoạn nhiệt

Nhiệt cấp:

(kJ/kg)

2-3: Ngưng tụ đẳng áp
3-4: Nén đoạn nhiệt

Nhiệt thải:
Công có ích:

(kJ/kg)
(kJ/kg)

4-5: Cấp nhiệt đẳng áp

Hiệu suất nhiệt:

5-6: Hóa hơi đẳng áp
6-1: Quá nhiệt đẳng áp

Suất tiêu hao hơi:

(kg/kJ)


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
Gh + Gkk

t; ε

P
P ≈ Ph

th
ε

P’= Ph’+ Pkk’
P”= Ph”+ Pkk”

Ph ’

Ph ”

Pkk’

ε”
”
tk= th”

Pkk”

P”
Gh”+ Gkk

th’

∆tk

∆Ph

Pkk = 0,622.ε.Ph
Theo chiều hơi nước ngưng tụ, ε tăng dần và áp suất tổng P giảm dần vì Ph giảm 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 – Bộ thu gom nước ngưng
Gh + Gkk

2 – Bô làm lạnh không khí
3 – Đường thải hỗn hợp hơi nước - không khí

P ≈ Ph

Gh” + Gkk

ε; th

P” = Ph”+ Pkk”
ε”; th”

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

3
2

P’ = Ph’+ Pkk’
ε’; th’
1

tk

∆tk = th – tk (oC)
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, khai thác vận hành


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.