ứng dụng công nghệ siêu âm hiệu quả cao trong chống đóng cặn trên các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống

1

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

CẤP BỘ NĂM 2007

TÊN ĐỀ TÀI: “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM HIỆU QUẢ CAO

TRONG CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ

HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG”

KH: 101- 07RD/HĐ-KHCN

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí

Chủ nhiệm đề tài: Ts. Lê Trí Vĩnh

6927

28/7/2008

Hà nội – 2008

2

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

CẤP BỘ NĂM 2007

TÊN ĐỀ TÀI: “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM HIỆU QUẢ CAO

TRONG CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ

HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG”

KH: 101- 07RD/HĐ-KHCN

Thủ trưởng đơn vị Chủ nhiệm đề tài

(ký tên, đóng dấu) (ký, ghi rõ họ tên)

Ts. Lê Trí Vĩnh

Hà Nội - 2008

3

Mục lục

Danh sách các thành viên tham gia………………………………………….5

Lời nói đầu…………………………………………………………………..6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TẢY RỬA VÀ CHỐNG ĐÓNG

CẶN TRÊN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ

THỐNG ĐƯỜNG ỐNG, SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG SIÊU

ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP 9

1.1. Tổng quan về cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống

đường ống ...............................................................................................9

1.1.1. Khái niệm về nước cứng và độ cứng của nước ....................................9

1.2. Tổng quan về các công nghệ tảy rửa cặn ...............................................12

1.2.1. Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí ...........................................................12

1.2.2. Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí kết hợp hoá chất................................13

1.2.3. Công nghệ tảy rửa bằng năng lượng siêu âm .....................................16

1.3. Tổng quan về các công nghệ chống cáu cặn liên tục .............................16

1.3.1. Công nghệ chống đóng cặn bằng sử lý nước......................................16

1.3.2. Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng sóng từ trường............17

1.3.3. Nguyên lý làm việc của thiết bị xử lý nước điện tử............................19

1.3.4. Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm .......................21

1.4. Âm và sóng âm.......................................................................................23

1.4.1. Khái niệm về âm thanh và dao động sóng âm ....................................23

1.4.2. Các đặc tính cơ bản của sóng âm thanh..............................................24

1.5. Siêu âm và các đặc tính quan trọng của năng lượng dao động sóng

siêu âm ..................................................................................................28

1.5.1. Khái niệm về dao động siêu âm..........................................................28

1.5.2. Các tính chất quan trọng của dao động sóng siêu âm.........................29

1.5.3. Bản chất sự tác động sóng siêu âm trong chất lỏng............................33

1.6. Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghiệp .................................35

1.6.1. Gia công cơ bằng năng lượng siêu âm................................................38

1.6.2. Làm sạch bằng công nghệ siêu âm .....................................................39

1.6.3. Hàn bằng năng lượng siêu âm.............................................................40

1.6.4. Công nghệ siêu âm trong ngành hoá hiện đại.....................................40

1.6.5. Siêu âm trong ngành luyện kim ..........................................................41

1.6.6. Công nghệ siêu âm trong ngành mỏ ...................................................41

1.6.7. Công nghệ siêu âm trong công nghiệp chế biến thực phẩm...............41

1.7. Kết luận chương 1 ..................................................................................41

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHỐNG ĐÓNG CẶN

BẰNG NĂNG LƯỢNG SIÊU ÂM CHO CÁC THIẾT BỊ

TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG 43

2.1. Giới thiệu chung về công nghệ và các kết quả nghiên cứu ứng

dụng công nghệ siêu âm trong nước và quốc tế ...................................43

2.2. Công nghệ dùng năng lượng siêu âm trong chống đóng cặn trên

các thiết bị nhiệt....................................................................................45

2.3. Thiết bị kỹ thuật chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm..................47

2.3.1. Nguồn năng lượng điện tần số dao động siêu âm...............................47

2.3.2. Đầu phát và truyền dao động siêu âm vào môi trường ứng dụng.......47

4

2.3.3. So sánh, lựa chọn kiểu đầu phát dao động cơ học tần số siêu âm cho

công nghệ chống đóng cặn..................................................................50

2.4. Đầu phát siêu âm trong chống đóng cặn và vị trí trên thiết bị nhiệt

trên thực tế ............................................................................................51

2.4.1. Một số đầu phát đang có trên thị trường thế giới ...............................51

2.4.2. Cách lắp đầu phát siêu âm trên thiết bị nhiệt......................................55

2.5. Kết luận chương 2 ..................................................................................57

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

ĐẦU PHÁT DAO ĐỘNG SIÊU ÂM CƠ KHÍ DÙNG CHO

CHỐNG ĐÓNG CẶN 58

3.1. Các yêu cầu cơ bản cho đầu phát siêu âm cơ học ..................................58

3.2. Vật liệu sử dụng chế tạo đầu phát dao động siêu âm .............................59

3.2.1. Vật liệu chế tạo phần chuyển đổi........................................................60

3.2.2. Vật liệu chế tạo thân đầu phát.............................................................61

3.3. Cơ sở lý thuyết tính toán các thông số quan trọng của đầu phát dao

động siêu âm cơ học .............................................................................62

3.3.1. Cơ sở tính toán các thông số cơ bản của phần hiệu ứng từ giảo (theo

Volkov C.C.).......................................................................................62

3.3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế phần tích tụ, khuyếch đại và truyền

năng lượng siêu âm (thân đầu phát)....................................................63

3.3.3. Cơ sở lý thuyết tính toán phần điện của đầu phát dao động siêu âm cơ

học.......................................................................................................70

3.3.4. Nguồn cho đầu phát siêu âm...............................................................72

3.4. Tính toán thiết kế đầu phát siêu âm cơ học dung cho chống đóng

cặn trên thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống.........................74

3.4.1. Tính toán thiết kế phần tích tụ và truyền năng lượng siêu âm (thân

đầu phát)..............................................................................................74

3.4.2. Tính toán thiết phần hiệu ứng từ giảo.................................................77

3.4.3. Tính toán bền đầu phát dao động siêu âm cơ học...............................78

3.4.4. Các bản vẽ đầu phát UPA-1M (xem phụ lục - các bản vẽ kèm theo) 79

3.4.5. Tính toán lựa chọn đầu phát cho bộ trao đổi nhiệt .............................79

3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................79

CHƯƠNG 4. KHẢO NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HIỆU

QUẢ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM CHO CHỐNG

ĐÓNG CẶN TRÊN BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT 81

4.1. Mục đích nghiên cứu khảo nghiệm ........................................................81

4.2. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................81

4.2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt HE NaCl HEATER-502 và các đặc tính kỹ

thuật cơ bản:........................................................................................81

4.2.2. Kết quả khảo sát bộ trao đổi nhiệt HE-502.........................................82

4.3. Thiết bị công nghệ (thiết bị phát siêu âm)..............................................82

4.3.1. Nguồn phát dao động điện tần số siêu âm ..........................................83

4.3.2. Đầu phát dao động siêu âm cơ học .....................................................83

4.3.3. Cáp cao tần..........................................................................................83

4.3.4. Ổn áp ...................................................................................................84

4.3.5. Các đặc tính kỹ thuật khác của thiết bị công nghệ .............................84

5

4.4. Nội dung khảo nghiệm đánh giá hiệu quả của năng lượng siêu âm

trong chống đóng cặn............................................................................84

4.4.1. Xác định điểm lắp thiết bị siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt ...................84

4.4.2. Các yêu cầu khi lắp đầu phát siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt...............87

4.4.3. Các kiểm tra sau khi lắp đầu phát siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt .......87

4.4.4. Phương pháp thực nghiệm ..................................................................88

4.4.5. Kết quả thu nhập từ nghiên cứu khảo nghiệm ....................................89

4.5. Nhận xét và đánh giá kết quả của năng lượng siêu âm trong chống

đóng cặn trên He-502............................................................................94

Kết luận chung của đề tài ..............................Error! Bookmark not defined.

Tài liệu tham khảo.........................................................................................98

6

Danh sách các thành viên tham gia

TT Họ và tên Chức vụ Đơn vị công tác

1 Lê Trí Vĩnh TS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

2 Nguyễn Hải Hà KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

3 Nguyễn Anh Dũng KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

4 Thái Trung Hiếu KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

5 Phạm Văn Kha KS. Tự động hoá Trung tâm TVTKCN

6 Lê TrongKiên KS. Điện Trung tâm TVTKCN

7 Ngô Duy Hưng KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

8 Trần Ngọc Hải KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

9 Võ Duy Phương KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

7

Lời nói đầu

Những người đã từng làm với các thiết bị nhiệt thì hiểu hơn ai hết về cặn

và tác hại của chúng đối với các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống.

Sự hình thành cáu cặn các muối cứng cacbonnat trong các thiết bị trao đổi

nhiệt là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm hiệu quả làm việc của chúng. Do

các hệ số dẫn nhiệt của kim loại và các chất cáu cặn có giá trị khác nhau, sự gia

tăng bề dầy của lớp cáu cặn làm giảm nhiệt độ của nước cần gia nhiệt. Để bảo

toàn tính ổn định của của nước cần gia nhiệt với giá trị yêu cầu, người ta cần

phải tăng mức tiêu hao nhiên liệu của thiết bị sinh ra nhiệt, vì thế các thiết bị

trao đổi nhiệt phải làm việc với nhiệt độ trung bình cao hơn, dẫn đến quá trình

hình thành lên cáu cặn lại gia tăng nhanh hơn. Phụ thuộc vào độ cứng của muối

cacbonnat trong nước cần gia nhiệt (hay cần thu nhiệt) và nhiệt độ đầu ra của

thiết bị trao đổi nhiệt, thời gian phát triển bề dày của lớp cáu cặn trong các thiết

bị trao đổi nhiệt dạng ống tới 1-1,5 mm có thể trong thời gian từ vài tuần đến vài

năm. Cứ mỗi lớp cáu cặn mới hình thành thậm trí chỉ 0.1mm cũng dẫn đến sự

giảm quá trình truyền nhiệt, gia tăng tiêu hao nhiên liệu một cách đáng kể.

Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, chỉ cần 1mm lớp

cáu cặn được hình thành trong các bộ trao đổi nhiệt thì đã dẫn đến sự giảm tính

hiệu quả làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt tới 30%. Trong đó cáu cặn trong

các bộ trao đổi nhiệt còn gây ra sự tổn thất kinh tế nặng lề cho cả dây chuyền

sản xuất, cho vận chuyển và quá trình sử dụng nhiệt.

Trong các hệ thống thiết bị nhiệt xuất hiện các tổn thất khác - sự gia tăng

năng lượng điện tiêu thụ của các bơm nước do cần phải bơm lưu lượng lớn hơn

để bù đắp sự tổn hao nhiệt, sự gia tăng các tổn hao về thuỷ động và nhiệt động,

sự cần thiết phải thường xuyên tháo lắp và tảy rửa cặn trên các bề mặt gia nhiệt

của các thiết bị nhiệt.

Tổn hao về nhiệt trong quá trình vận chuyển nhiệt gia tăng khi cần có

nhiệt bổ xung do tổn hao từ nơi sinh nhiệt đến thiết bị sử dụng nhiệt. Sự gia tăng

lưu lượng nước cần gia nhiệt (hay thu nhiệt) trong các thiết bị trao đổi nhiệt dẫn

đến sự cần thiết phải vận chuyển lưu lượng lớn hơn, và các tổn hao bổ xung

năng lượng điện v.v. Các phương pháp thường được sử dụng hiện nay để đấu

tranh chống lại sự hình thành cáu cặn với mục đích: giảm số lượng các muối

cacbonnat cứng có trong nước bằng cách sử lý nước với sự hỗ trợ của hoá chất

(làm mềm nước) và sử dụng các chế độ nhiệt tối ưu trong hệ thống trao đổi

nhiệt.

Việc sử dụng phương pháp sử lý làm mềm nước bằng hoá chất cần được

đảm bảo trong suốt quá trình hoạt động của các bộ trao đổi nhiệt. Mặt khác, quá

trình sử lý khó có thể được đảm bảo ở mức tối ưu dẫn đến quá trình hình thành

cáu cặn càng gia tăng. Trong các thiết bị điện hoá chống đóng cặn, quá trình

hình thành cáu cặn xảy ra ở các bộ lọc chuyên dụng, sự hình thành cáu cặn ở đây

xảy ra nhanh hơn so với trong các bộ trao đổi nhiệt. Chính vì thế việc tảy rửa

cặn trong các bộ lọc phải thực hiện thường xuyên hơn so với các bộ trao đổi

nhiệt.

Hiện nay có công nghệ sử lý nước mềm hiện đại bằng cách sử dụng sử dụng các

chất hoá học với gốc phosphonat và polikarboksinat. Để ứng dụng công nghệ

8

này cần phải sửa đổi lại kết cấu các thiết bị trao đổi nhiệt, lắp đặt thêm các thiết

bị điện và chi phí do tiêu thụ hoá chất hàng tháng.

Các phương pháp khác tương đối hiệu quả hơn là phương pháp sử lý làm

mềm nước bằng từ trường và điện từ trường. Mặt khác, việc sử dụng phương

pháp làm mềm nước có độ cứng cao bằng từ trường không có hiệu quả theo yêu

cầu, ngoài ra giá thành sử lý nước bằng điện từ trường tương đối cao.

Sự phát hiện ra các hiện tượng tạo bong bong siêu nhỏ trong chất lỏng khi

có tác dụng của dao động sóng siêu âm, mà khi các bong bong này nổ ra sinh ra

trong chất lỏng một áp lực với nhiệt độ cực lớn đã giúp các nhà khoa học tìm ra

nhiều hướng đi mới. Bằng các hiệu ứng này, ngay từ những năm 60 của thế kỷ

trước, các nhà khoa học Liên Xô áp dụng chúng cho rất nhiều mục đích khác

nhau trong công nghiệp, trong đó có chống đóng cặn cho các thiết bị trao đổi

nhiệt và hệ thống đường ống. Tuy nhiên, do sự sụp đổ của Liên Xô cũ, nhiều

công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này bị dừng lại và phải đến những năm

cuối thế kỷ 20 mới được khởi động trở lại.

Việc áp dụng công nghệ siêu âm cho chống đóng cặn được đánh giá là ưu

việt nhất hiện nay do có nhiều tính vượt trội về kinh tế, kỹ thuật, môi trường v.v.

Công nghệ này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. Để hoàn thiện

được công nghệ này, các nghiên cứu về cáu cặn, sự hình thành của cặn trong các

thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống, sự tác dụng của năng lượng siêu

âm vào quá trình hình thành nên cặn và sự phá huỷ cặn đã và do tác động dao

động siêu âm, các tác dụng khác nữa của năng lượng siêu âm là vô cùng cần

thiết.

9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TẢY RỬA VÀ CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN

CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG,

SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP

1.1. Tổng quan về cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường

ống

1.1.1. Khái niệm về nước cứng và độ cứng của nước

Độ cứng của nước – là tập hợp các tính chất của nước được đặc trưng bởi

các iôn canxi và magnhê có chứa trong nước. Nếu nồng độ các iôn này lớn, thì

nước được gọi là nước cứng, nếu nồng độ nhỏ thì nước được gọi là nước mềm.

Nếu nước cứng có thành phần iôn magnhê cao thì có thể kiểm tra bằng vị, vị đặc

trưng là hơi chát.

Nước cứng cũng được phân loại ra làm hai loại :

- Nước cứng cacbonnat là nước cứng khi có chứa các muối axít cacbonnát

hoà tan như muối hyđrô cacbonnat canxi Ca(HCO3)2 và hyđrôcacbonnat

magnhê Mg(HCO3)2

- Nước cứng phicácbonnát là nước cứng mà trong đó sự tạo cứng do các

muối không phải là muối cacbonnat của canxi và magnhê gây ra.

Khi bị đun nóng đến nhiệt độ sôi, liên kết hyđrôcacbonnat bị phá huỷ và

hình thành các tinh thể muối cacbonnat kém hoà tan CaCO3 kết tủa xuống, vì

vậy độ cứng cacbonnat được gọi là độ cứng tạm thời. Khi bị đun đến nhiệt độ

sôi các iôn Mg++ và Ca++ kết tủa dưới dạng cacbonnat. Ví dụ như:

Ca 2+ + 2HCO3 - = CaCO3 + H2O + CO2 (1.1)

Độ cứng của nước được duy trì sau khi nước đã bị đun nóng đến nhiệt độ

sôi được gọi là độ cứng ổn định hoặc là độ cứng phicacbonnat. Nó được đặc

trưng bởi các muối hoà tan của canxi và magnhê từ các axít mạnh như sulphát

và clorit.

1.1.2. Quá trình hình thành cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống

đường ống

Sau một thời gian vận hành các thiết bị trao đổi nhiệt, hệ thống đường

ống và các thiết bị nhiệt công nghiệp và dân dụng khác xảy ra hiện tượng hình

thành cáu cặn cacbonnat (cặn) chủ yếu là do các phần tử muối cứng có trong

nước (nước cứng) – đó là các phần tử muối cacbonnat của canxi (Ca2+), magnhê

(Mg2+) và các phần tử khoáng chất khác tạo thành.

Cặn được hình thành trên bề mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt trong quá

trình nước được đun nóng. Quá trình hình thành cáu cặn được xảy ra do một số

nguyên nhân sau: sự phân rã các muối axít cacbonnat chủ yếu của các nguyên tố

canxi và magnhê, các muối này chuyển thành muối cacbonnat với độ không tan

rất cao bám vào bề mặt gia nhiệt của thành ống và hình thành nên cáu cặn (xem

phương trình phản ứng 1.1). Ngoài các muối cacbonnat canxi và magnhê, còn có

các muối khác của canxi và magnhê như sulphat và clorit tạo ra cặn trong các

thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống. Tuy nhiên nồng độ các muối này

trong nước không nhiều như muối cacbonnat nên người ta chỉ tập trung sử lý các

muối cacbonnat.

Quá trình hính thành cáu cặn là quá trình kết tinh thể hoá tương đối phức

tạp và có thể được mô tả trong ba giai đoạn phát triển sau: