Bộ hâm nước là gì và các thiết kế ống trao đổi nhiệt

Trong hệ thống lò hơi, việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng luôn là mục tiêu hàng đầu. Một trong những giải pháp hiệu quả để đạt được điều này chính là sử dụng bộ hâm nước (Economizer).

Bộ hâm nước đóng vai trò quan trọng trong việc tận dụng nhiệt lượng từ khí thải của lò hơi, giúp làm nóng nước cấp trước khi nước được đưa vào lò. Nhờ đó, lượng nhiên liệu tiêu thụ giảm đáng kể, đồng thời giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường.

Bộ hâm nước là gì?

Bộ hâm nước về cơ bản là các bộ trao đổi nhiệt dạng ống được sử dụng để làm nóng nước cấp trước khi đi vào balong hơi (bộ phận tuần hoàn) hoặc tường nước (bộ phận đi qua một lần). Bộ hâm nước hay còn được gọi là bộ tiết kiệm xuất phát từ việc sử dụng các bộ hâm nước như vậy để giảm chi phí vận hành hoặc hâm nước nhiên liệu bằng cách thu hồi thêm năng lượng từ khí thải. Bộ hâm nước cũng làm giảm khả năng sốc nhiệt và dao động nhiệt độ lớn khi nước cấp đi vào balong hơi hoặc tường nước. Hình 1 cho thấy vị trí một bộ hâm nước trên nồi hơi tầng sôi. Bộ hâm nước thường là bộ trao đổi nhiệt được làm mát bằng nước cuối cùng phía trước bộ sấy không khí.

Hình 1: Vị trí bộ hâm nước và bộ sấy không khí trong một nồi hơi tầng sôi thông thường

>>> Xem thêm: Nồi hơi đốt khí là gì? Nguyên lý hoạt động của lò hơi

Vai trò của bộ hâm nước

Các loại bề mặt bộ hâm nước

Ống trơn

Thiết kế bộ hâm nước phổ biến và đáng tin cậy nhất là loại ống trơn, nối tiếp, dòng chảy ngang. (Xem hình 2a.)

Hình 2: Bố trí ống trong bộ hâm nước

Khi đốt than, tro bay tạo ra môi trường bám bẩn và ăn mòn cao. Ống trần được bố trí thẳng hàng giúp giảm thiểu khả năng mài mòn và đọng tro so với bố trí so le như trong Hình 2b. Nó cũng là dạng hình học dễ dạng vệ sinh bằng máy thổi nhất. Tuy nhiên, những lợi ích này phải được đánh giá dựa trên khối lượng và chi phí lớn hơn có thể có của sự sắp xếp này.

Bề mặt mở rộng

Để giảm chi phí vốn, hầu hết các nhà sản xuất nồi hơi đã chế tạo bộ hâm nước với nhiều loại cánh tản nhiệt khác nhau để tăng cường kiểm soát tốc độ truyền nhiệt phía khí. Cánh là bộ phận rẻ tiền có thể làm giảm kích thước và chi phí tổng thể của bộ hâm nước. Tuy nhiên, khả năng làm sạch bề mặt là mối quan tâm chính. Trong các nồi hơi chọn lọc, chẳng hạn như các lò đốt biomass, thiết bị hâm nước bề mặt mở rộng không được khuyến khích do các đặc tính tro bay đặc biệt.

Đinh tán: Đinh tán hoạt động khá tốt trong nồi hơi đốt gas. Tuy nhiên, bộ hâm nước ống đinh tán có thể có mức giảm áp suất phía khí cao hơn so với thiết bị tương đương có ống cánh cuốn. Các cánh tản nhiệt có hoạt động kém trong các nồi hơi đốt biomass vì độ mài mòn cao, mất khả năng truyền nhiệt, tăng tổn thất áp suất và bịt kín đọng tro.

Cánh dọc: Các ống có cánh dọc được sắp xếp theo dòng chảy so le, như trong Hình 3, cũng không hoạt động tốt trong thời gian dài hoạt động. Sự đọng tro và mài mòn quá mức trong các nồi hơi đốt biomass đã dẫn đến việc phải thay thế nhiều bộ hâm nước này. Trong các nồi hơi đốt dầu và khí đốt, các vết nứt đã xảy ra tại các điểm kết thúc của cánh tản nhiệt. Những vết nứt này đã lan vào thành ống và gây ra hư hỏng ống trong một số ứng dụng. Tích tụ tro bay cũng có thể là một vấn đề (không gian chật hẹp).

Hình 3: Cánh dọc, bố trí ống so le

Cánh cuốn: Các ống có ánh cuốn (Hình 4) đã được áp dụng thành công cho một số thiết bị đốt biomass, dầu và khí đốt. Các cánh có thể được đặt khít nhau trong trường hợp đốt khí thải không có tro bay hoặc tro dầu. Bước cánh trên 6,4 mm), độ dày cánh từ 1,5 đến 1,9 mm và chiều cao 19,1 mm là điển hình. Đối với các ống có đường kính ngoài 51 mm, các cánh tản nhiệt này cung cấp diện tích hiệu quả gấp mười lần so với các ống trần trên một đơn vị chiều dài ống. Nếu đốt dầu nặng hoặc biomass, phải sử dụng khoảng cách vây rộng hơn và thực hiện các biện pháp thích hợp để giữ cho bề mặt gia nhiệt càng sạch càng tốt.

 Hình 4: Cánh cuốn

Cánh hình chữ nhật: Các cánh hình vuông hoặc hình chữ nhật, được bố trí vuông góc với trục ống trên các ống thẳng hàng như trong Hình 5, đôi khi được sử dụng trong các cải tiến. Khoảng cách giữa các cánh thường thay đổi trong khoảng 13 và 25 mm và các cánh thường dày 3,18 mm. Có một khe dọc ở giữa vì hai nửa cánh được hàn vào hai bên của ống. Hầu hết các thiết kế đều dành cho vận tốc khí dưới 15,2 m/s. Tuy nhiên, do không gian hẹp, sâu nên việc tích tụ tro bay là mối nguy hiểm với những thiết kế như vậy.

Hình 5: Cánh hình chữ nhật, bố trí ống thẳng hàng

Vách ngăn: Các đầu ống phải được làm vách ngăn hoàn toàn (Hình 6) để giảm thiểu việc khí thải thoát ra xung quanh các bó có cánh. Dòng chảy vòng như vậy có thể làm giảm sự truyền nhiệt, tạo ra nhiệt độ vỏ quá cao và việc đốt biomass có thể dẫn đến mài mòn ống do vận tốc khí rất cao. Vách ngăn cũng được sử dụng với dàn ống trơn nhưng không quan trọng bằng dàn ống có cánh. Mài mòn ở chỗ uốn ống có thể được giảm bớt bằng cách che chắn các chỗ uốn cong.

Hình 6: Vách ngăn các đoạn khuỷu ống trơn cho dàn ống có cánh

Bộ hâm nước là một thiết bị quan trọng trong các hệ thống lò hơi công nghiệp, giúp tăng hiệu suất của lò bằng cách đun nóng nước trước khi nó được đưa vào lò hơi. Các thiết kế ống trao đổi nhiệt, như ống trơn, đóng vai trò chủ chốt trong việc tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt. Chúng cho phép truyền nhiệt giữa hai chất lỏng hoặc giữa chất lỏng và không khí, thông qua một chùm ống được xếp so le hoặc song song, tạo ra diện tích tiếp xúc lớn giữa hai chất. Vách ngăn trong bộ hâm nước có tác dụng hướng dòng chảy và tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, đồng thời cũng giúp dễ dàng bảo trì và vệ sinh thiết bị.

Các vách ngăn không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ bền và hiệu suất của bộ hâm nước. Sự hiểu biết về cấu tạo và hoạt động của các thiết bị này không chỉ hỗ trợ cho việc bảo dưỡng mà còn góp phần vào việc thiết kế các hệ thống lò hơi hiệu quả hơn trong tương lai.

Kết luận: 

Tóm lại, bộ hâm nước là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống lò hơi hiện đại. Việc ứng dụng bộ hâm nước không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế, giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu mà còn góp phần quan trọng vào việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu lượng khí thải độc hại.