Đồ án Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt khói thải sử dụng ống nhiệt trọng trường cho lò dầu truyền nhiệt đốt than đá

u : Một dạng cấu hình quen thuộc thứ hai của thiết bị thu hồi nhiệt là thiết 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 . Hình 2.3. Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu Nếu các ống được lái dòng để khí đi qua hai lần, thiết bị trao đổi nhiệt 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. 2.2.4. 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 Thiết bị này đắt tiền hơn loại thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại đơn giản nhưng nhỏ gọn hơn. Hình 2.4. Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp 2.2.5. Ống nhiệt Ống nhiệt có thể truyền nhiệt năng gấp 100 lần so với đồng, vốn được coi là chất dẫn nhiệt tốt nhất. Nói cách khác, đường ống nhiệt là một hệ thống truyền và nhận nhiệt năng liền khối nên chỉ yêu cầu bảo dưỡng ở mức thấp nhất Đường ống nhiệt bao gồm 3 bộ phận một bình chứa kín, một kết cấu mao dẫn và chất lỏng truyền lực. Kết cấu mao dẫn được chế tạo liền khối thành bề mặt bên trong của ống bình chứa và được đóng kín trong chân không. Nhiệt năng đưa tới bề mặt bên ngoài của đường ống nhiệt cân bằng với chính hơi của đường ống vì ống bình chứa được làm kín trong chân không. Nhiệt năng đưa tới bề mặt bên ngoài của đường ống nhiệt khiến cho chất lỏng truyền lực gần bề mặt bay hơi ngay tức thời. Hơi được tạo thành hấp thu nhiệt ẩn của quá trình bốc hơi và phần đường ống nhiệt này trở thành vùng bay hơi. Sau đó hơi đi tới đầu kia của đường ống, tại đây nhiệt năng bị khử khiến cho hơi lại ngưng tụ thành chất lỏng, và như thế bỏ đi nhiệt ẩn của quá trình ngưng tụ. Phần này của đường ống nhiệt hoạt động như vùng ngưng tụ. Sau đó chất lỏng ngưng tụ quay trở lại vùng bay hơi. Hình 2.5. Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu ống nhiệt 2.2.6. Bộ sấy không khí trong lò hơi 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 2200C 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. Hình 2.6. Bộ sấy không khí Nói cách khác, cứ tăng nhiệt độ nước cấp thêm 600C nhờ bộ hâm nóng nhiệt, hay tăng nhiệt độ không khí cháy lên 2000C nhờ thiết bị sấy không khí sơ bộ thì tiết kiệm được 1% nhiên liệu trong nồi hơi. 2.2.7. Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống Khi vật chứa nhiệt thải là chất lỏng hay hơi dùng để đốt nóng chất lỏng khác thì cần sử dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống vì cả hai đường dẫn đều phải đóng kín để giữ áp suất của chất lỏng tương ứng. Vỏ bọc có chứa bó ống và thường là các van bướm bên trong để dẫn hướng dòng chất lỏng trong vỏ bọc trên các ống theo nhiều đường. Vỏ bọc vốn đã yếu hơn ống nên chất lỏng áp suất cao được lưu thông trong ống còn chất lỏng áp suất thấp hơn lưu thông trong vỏ. Khi hơi chứa nhiệt thải. Hơi thường ngưng tụ chuyển nhiệt ẩn tới chất lỏng được gia nhiệt. Trong ứng dụng này, hơi hầu như luôn luôn được chứa trong vỏ bọc. Nếu thực hiện quy trình đảo ngược, ngưng tụ hơi trong các ống song song đường kính nhỏ sẽ gây nên hiện tượng bất ổn định dòng. Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống hiện có nhiều kích cỡ chuẩn khác nhau với các kết hợp chất liệu cho ống và vỏ bọc khác nhau. Hình 2.7 sau đây minh họa một bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống. Hình 2.7. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống bọc Những ứng dụng chính của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc trùm ống gồm có chất lỏng nhiệt với nhiệt có trong hơi ngưng từ hệ thống làm lạnh và điều hoà không khí; nước ngưng từ hơi trong quy trình; chất làm mát từ cửa lò luyện,ghi lò và giá đỡ ống; chất làm mát từ động cơ, thiết bị nén khí,giá đỡ và chất bôi trơn;và nước ngưng từ quy trình chưng cất. 2.2.8. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Chi phí cho bề mặt trao đổi nhiệt là một yếu tố quan trọng về mặt giá cả khi chênh lệch về nhiệt độ không lớn lắm. Một giải pháp cho vấn đề này là thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm, gồm có một dãy các tấm song song tạo thành một đường chảy nhỏ. Các tấm cách nhau bằng các miếng đệm và dòng khí nóng đi theo đường song song qua các tấm đảo chiều trong khi đó chất lỏng 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. Hình 2.8. 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. 2.2.9. Thiết bị trao đổi nhiệt bằng gốm: Một trong những giới hạn cơ bản của bộ tận dụng nhiệt thải bằng kim loại là tuổi thọ thấp khi làm việc ở môi trường có nhiệt độ cao, vượt quá 1100 oC. Để hoạt động được trong vùng nhiệt độ cao như vậy thì người ta sử dụng gốm. Bộ tận dụng này có thể hoạt động ở nhiệt độ khói lên đến 1550 oC còn nhiệt độ không khí nóng lên đến 815 oC. Bộ trao đổi nhiệt bằng gốm sử dụng lần đầu tiên trong các lò nung xi-măng, trong chu trình nhiệt để hàn nhanh các vết nứt trên các ống. Hình 2.9. Bộ tận dụng nhiệt sử dụng gốm 2.2.10. Lò hoàn nhiệt tận dụng nhiệt thải: Lò hoàn nhiệt có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lò nung thép và lò thủy tinh. Quan hệ quan trọng tồn tại giữa kích cỡ lò hoàn nhiệt, thời gian giữa 2 lần hoán đổi, độ dày của gạch cách nhiệt, hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung của gạch cách nhiệt. Hình 2.10. Lò hoàn nhiệt tận dụng nhiệt thải Trong lò hoàn nhiệt, khoảng thời gian giữa 2 lần hoán đổi là một khía cạnh quan trọng. Khoảng thời gian này càng dài thì độ tích trữ nhiệt càng cao do đó tổn thất càng lớn. Ngoài ra, khoảng thời gian hoán đổi càng dài làm cho nhiệt độ gia nhiệt trung bình giảm và do đó tiết kiệm được nhiên liệu. Sự tích tụ bụi và xỉ trên bề mặt làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt. Lượng nhiệt tổn thất qua tường và không khí lọt cũng làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt giữa khói và không khí. 2.2.11. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu quay: Cấu tạo như hình vẽ dưới đây: Hình 2.11. Bộ tận dụng nhiệt thải kiểu quay. Thiết bị tận dụng nhiệt kiểu quay được dùng trong tận dụng nguồn nhiệt thấp và trung bình. Đĩa rỗng có kích thước lớn, được chế tạo bằng kim loại có nhiệt dung lớn, quay giữa 2 ống chồng lên nhau. Trục quay song song với trục của 2 ống. Đĩa quay và nhận nhiệt của khói nóng, nhã nhiệt cho không khí lạnh. Hiệu suất toàn phần trao đổi nhiệt có thể lên tới 85%. Đường kính của đĩa quay có thể lên tới 21m, lưu lượng không khí lên tới 1130 m3/phút. 2.3.Nhận xét: Trong các thiết bị trên, ta thấy thiết bị tận dụng nhiệt khói thải sử dụng ống nhiệt trọng trường là tốt nhất Thiết bị tận dụng nhiệt khói thải bằng ống nhiệt có những ưu điểm nổi bật sao với những thiết bị khác: Ở đây chúng ta so sánh ưu điểm của ống nhiệt với các phần tử truyền nhiệt khác. Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống. Ta biết rằng bên trong ống nhiệt xảy ra hai quá trình sôi và ngưng tụ, áp suất trong phần ngưng và phần sôi không chênh lệch nhiều, do vậy nhiệt độ ở hai vùng trên gần như nhau. Ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng nóng tới vùng lạnh không cần phải dùng bơm. Như vậy độ tin cậy của thiết bị tăng và trong quá trình làm việc thiết bị không gây ồn. Như ta đã biết từ vùng sôi do chênh lệch áp suất dễ dàng chuyển động đến vùng ngưng, nhờ tác dụng của lực trọng trường lại tự chảy về vùng sôi. Rõ ràng bên trong ống nhiệt xảy ra quá trình khép kín nên môi chất không cần phải có ngoại lực tác dụng. So với dẫn nhiệt bằng thanh kim loại cùng kích thước, khả năng truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến nơi tiêu thụ của ống nhiệt lớn hơn hàng chục lần. Ưu điểm này là do quá trình truyền nhiệt bên trong ống nhiệt thực hiện bởi sự biến đổi pha (sôi và ngưng), do đó quá trình truyền nhiệt lớn gấp hàng chục lần so với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại cho dù là bằng bạc. Khi chọn môi chất thích hợp có thể bảo đảm vận hành ống nhiệt an toàn trong khoảng nhiệt độ rộng từ -800C đến 25000C. Trên thực tế ống nhiệt thường được lắp đặt thành dàn hoặc thành cụm ống. Trong quá trình làm việc giả sử có một vài ống nhiệt bị hỏng thì hệ thống vẫn làm việc được. Mặt khác ta có thể thay thế ống nhiệt bị hỏng ngay cả khi hệ thống đang hoạt động. Nhiệt từ một nguồn nóng có thể truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt ở nhiều khoảng cách khác nhau. CHƯƠNG III TÍNH KIỂM TRA LÒ DẦU TRUYỀN NHIỆT ĐỐT THAN ĐÁ Các thông số ban đầu 1. Công suất lò dầu truyền nhiệt : 1.250.000 kcal/h 2. Nhiên liệu đốt : Than đá 3. Nhiệt độ dầu gia nhiệt ra khỏi lò : 300 oC 4. Hiệu suất của lò : 82,35 % 5. Lượng nhiên liệu tiêu hao : 329,44 kg/h Bảng 14. Thành phần nhiên liệu than Wlv Alv Slv Clv Hlv Nlv Olv 11,0 24,9 2,5 47,4 3,2 1,3 9,7 Nhiệt trị làm việc của than đá Qlvt = 4340 kcal/kg Tính lượng không khí cấp vào lò và thể tích sản phẩm cháy Lượng không khí lý thuyết Theo công thức sách TBLH trang 20 ta có: Vokk = 0,0889(Clv + 0,375.Slv) + 0,265.Hlv – 0,033.Olv , m3tc/kg = 0,0889(47,4 + 0,375.2,5) + 0,265.3,2 – 0,033.9,7 = 4,8251 , m3tc/kg Lượng không khí thực tế Chọn sơ bộ hệ số không khí thừa : Đối với lò đốt than công suất nhỏ thì cần lượng không khí thừa nhỏ, ở đây ta chọn α = 1,4 , lượng không khí thừa này sẽ không thay đổi trong quá trình tính toán. Theo công thức 3.18 sách TBLH trang 20 ta có: Vkk = α.Vokk = 1,4.4,8251 = 6,755 , m3tc/kg Lượng không khí cần cung cấp trong 1 giờ là: Vcckk = B. Vokk = 329,44.6,755 = 2225,4 m3/h Thể tích sản phẩm cháy Thể tích khí 3 nguyên tử Theo công thức 2.3 sách TBLH trang 7 ta có: VRO2 = VCO2 + VSO2 = 1,866(Clv/100) + 0,375(Slv/100) , m3/kg = 1,866(47,4/100) + 0,375(Slv/100) = 0,894 m3/kg Thể tích khí nitơ lý thuyết Theo công thức sách TBLH trang 21 ta có : VºN2 = 0,008Nlv + 0,79Vokk , m3/kg = 0,008.1,3 + 0,79.4,8251 = 3,822 m3/kg Thể tích hơi nước lý thuyết Theo công thức 3.27 sách TBLH trang 22 ta có VoN2 = 0,112Hlv + 0,0124Wlv + 0,0161Vokk , m3/kg = 0,112.3m2 + 0,0124.11 + 0,0161.4,8251 = 0,572 m3/kg Thể tích sản phẩm cháy khi tính đến hệ số không khí thừa Thể tích hơi nước thực tế Theo công thức 2.33 sách TBLH trang 22 VH2O = VoH2O + 0,0161(α – 1)Vokk , m3/kg = 0,572 + 0,0161.(1,4 – 1)4,8251 = 0,630 m3/kg Thể tích khói thực tế Vk = VoH2 + VN2 + VRO2 + (α – 1)Vokk = 0,572 + 0,0161.(1,4 – 1).4,8251 = 0,630 m3/kg Phân thể tích hơi nước trong khói Theo công thức sách TKLH trang 27 ta có rH2O = VH2O / Vk = 0,572/114711 = 0,049 Phân thể tích khí 3 nguyên tử rH2O = VRO2 / VK = 0,894/11,4711 = 0,078 Phân thể tích tổng rn = rH2O + rRO2 = 0,049 + 0,078 = 0,127 Tính entanpi của sản phẩm cháy Entanpi của sản phẩm cháy cũng được tính ứng với 1kg nhiên liệu Entanpi của không khí lý thuyết Theo công thức sách TBLH trang 27 ta có I°kk = VºkkCkkθkk , kJ/kg Trong đó : Vºkk : thể tích không khí lý thuyết (m3/kg) Ckk : Nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg.K) θkk : Nhiệt độ của không khí (ºC) Entanpi của không khí lạnh được tính tại nhiệt độ 30°C, chọn theo nhiệt độ môi trường. I°kk = 4,8251.1,29.30 = 186,7275 kJ/kg Entanpi của khói lý thuyết Entanpi của khói lý thuyết được xác định như sau Iºkk = IºRO2 + IºNO2 + IºH2O , kJ/kg IºRO2 = VºRO2.CRO2t , kJ/kg IºN2 = VºN2CN2t , kJ/kg IºH2O = VºH2OCH2Ot , kJ/kg Trong đó : - Iºk, IºRO2, IºN2, IºH2O là entanpi của khói lý thuyết, khí 3 nguyên tử, khí nitơ, và hơi nước (kJ/kg) - CRO2 , CN2 , CH2 là nhiệt dung riêng của khí 2 nguyên tử, nitơ và hơi nước (kJ/kg) - t là nhiệt độ khói (ºC) Entanpi thực tế của sản phẩm cháy Theo công thức sách TBLH trang 27 ta có Ik = Iºk – (α – 1)Iºkk + IºH2O + Iºtr , kJ/kg Trong đó IºH2O , Iºtr là entanpi của nước do không khí lọt vào lò và entanpi của tro, hai đại lượng này rất nhỏ có thể bỏ qua trong tính toán Do vậy Ikk = Iºk – (α – 1)Iºkk , kJ/kg Bảng 15. Entanpi của không khí và sản phẩm cháy (trang tiếp theo) Xác định tổn thất nhiệt của lò Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học q4 Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học được xác định theo công thức sau : Trong đó: 32600 là nhiệt trị của chất cháy được của tro Kx, Kb, Kl là tỉ lệ phần trăm thành phần cháy của xỉ, tro bay và tro lọt ax, ab, al là tỉ lệ tro của nhiên liệu phân phối theo đường xỉ, đường tro bay theo khói, và đường lọt. Khi thiết kế thông thường q4 được chọn theo nhiên liệu tiêu chuẩn tính nhiệt, nó phụ thuộc vào phương pháp đốt và nhiên liệu đốt. Đối với lò đốt nhiên liệu than đá trên ghi ta chọn theo sách TKLH q4 = 6% Tổn thất nhiệt do xỉ mang ra ngoài q6 Được xác định theo công thức sau Trong đó : Cx là nhiệt dung riêng của xỉ (kJ/kg) Tx là nhiệt độ của xỉ thải mang ra ngoài tx = 600ºC Do vậy Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học q3 Với nhiên liệu đốt là than đá, và phương pháp đốt là trên ghi cố định nên chọn q3 = 5% Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài q2 Được tính theo công thức sau Trong đó: Qlvt : là nhiệt trị thấp của nhiên liệu Ikt : là entanpi của khói thải, kJ/kg α : hệ số không khí thừa, lấy α = 1,4 Chọn theo sách TKLH q2 = 12% Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài Tra đồ thị ta được q5 = 2,8% Xác định thể tích lò Thể tích buồng lửa xác định trên cơ sở chọn nhiệt thế thể tích buồng lửa. Nhiệt thế thể tích buồng lửa phụ thuộc vào phương pháp đốt nhiên liệu, và nhiên liệu dùng để đốt. Sau khi chọn được qv ta tìm được thể tích buồng lửa. Vbl = BttQlvt/qv Trong đó Bbl : lượng nhiên liệu tiêu hao theo tính toán (kg/h) Qlvt : nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg) Qv : nhiệt thế thể tích buồng lửa (kcal/m3h) chọn qv = 0,45.106 kcal/ m3h Nên Vbl = 329,44.4340/0,45/106 = 3,17 m3 Diện tích bề mặt ghi Diện tích về mặt ghi được xác định theo công thức sau R + BttQlvt/qr m2 Trong đó R : diện tích mặt cháy của ghi (m2) Btt : lượng nhiên liệu tiêu hao theo tính toán (kg/h) Qlvt : nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg) qr : được chọn theo tiêu chuẩn thiết kế, ta chọn qr = 975 kW/m2 Vậy R = 329,22.4,18.4340/(975.3600) = 1,703 m2 Đặc tính cấu tạo của ghi Do đặc điểm cấu tạo, không gian lắp đặt lò và phù hợp với nhiên liệu đốt lò là than đá, do đó ta chọn ghi tấm, ghi được làm bằng gang đúc có nhiều lỗ, lỗ có dạng hình thang, trên nhỏ dưới to, để dễ dàng cho không khí đi vào và hạn chế than lọt. Tỷ lệ tiết diện động của tấm ghi thường khoảng 8 ÷ 15 %, ghi tấm cũng có cấu tạo như ghi thanh. Để đảm bảo làm sạch xỉ trên ghi, trục của ghi phải đặt vuông góc với trục lò. Khi đốt nhiên liệu có xỉ quánh và nhiệt độ của xỉ thấp thì chiều dài của ghi không 2 ÷ 2,2 m. Chiều rộng của ghi quyết định bởi công suất buồng lửa. Thông thường nếu ghi quá rộng thì cứ khoảng 1 ÷ 1,2 m theo chiều rộng ghi, người ta làm một cửa lò để dễ dàng vệ sinh và thao tác lò. Số lượng tấm ghi lắp trong buồng đốt N = R/Fg = 1,703.0,225 = 7,86 cái à chọn 8 cái. Tính nhiệt trong buồng lửa pass 1 Nhiệt lượng hữu ích trong buồng lửa Theo công thức sách TKLH trang 45 ta có Ở đây Qkk = αIkkn + Ikkl , kJ/kg Do than không được sấy nóng nên lấy bằng nhiệt độ môi trường, nhiệt độ không khí thổi vào buồng lửa lấy bằng nhiệt độ môi trường, chọn tkkl = 30ºC Nên Ikkl = 187,73 kJ/kg Nhiệt độ cháy lý thuyết của than Từ Qbl = 17420,86 kJ/kg, và tra bảng entanpi bằng phương pháp nội suy ta tính được nhiệt độ cháy lý thuyết của than. = 1510,42 ºC Vậy nhiệt độ cháy lý thuyết tuyệt đối của than là Tlt = tlt + 273 = 1514,42 + 273 = 1783,42ºC Giả thiết chọn nhiệt độ khói thải ra khỏi buồng lửa là θ"bl = 1000ºC tương ứng tra bảng entanpi ta được I"bl = Igt = 11034,30 kJ/kg Tỷ nhiệt trung bình của sản phẩm cháy Theo công thức sách TKLH trang 45 ta có = 12,51 kJ/kgºC = 2,99 kcal/kgºC Chiều dày hữu hiệu lớp bức xạ của khói S Theo công thức sách TKLH trang 87 ta có S = 3,6Vbl/Ft , m2 Trong đó : Vbl : thể tích buồng lửa m3 Ft : diện tích buồng lửa m2 Ft = 3,14Dtb1.d.n = 3,14.1,058.0,076.35 = 8,84 m2 Do vậy S = 3,6.3,17/8,84 = 1,2909 m Độ đen buồng lửa Độ đen buồng lửa phụ thuộc vào nhiên liệu, phương pháp đốt, chế độ nhiệt và được tính theo công thức 10.30 sách TKLH trang 46 Trong đó tb : là hệ số sử dụng nhiệt trung bình anl : là độ đen ngọn lửa ρ : tỷ số giữa bề mặt cháy ghi lò và toàn bộ về mặt tường lò. Với i = x.ζ, trong đó x : là hệ số góc đặt dàn ống, chọn x = 1 ζ : là hệ số bám bẩn, chọn ζ = 1 Do vậy ψtb = 0,4.8,84/8,84 = 0,4 ρ = R/Hbx = 1,703/8,84 = 0,193 Trong đó : R : diện tích bề mặt ghi Hbx : diện tích bề mặt bức xạ. Độ đen ngọn lửa Độ đen ngọn lửa được xác định theo công thức sau Anl = 1- e-kps Trong đó : k : là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trường buồng lửa k = kkrn + μktr hệ số làm yếu bức xạ bởi tro, do buồng lửa đốt ghi nên chọn ktr = 0 kk : hệ số làm yếu bức xạ bởi khí 3 nguyên tử, kk = 0,95 Ta có k = kkrn = 0,95.0,127 = 0,121 Do đó độ đen ngọn lửa là anl = 1 – e-kps = 1 – e-0,121.10.1,101 = 0,735 Nên thay số tính toán ta được độ đen buồng lửa là abl = 0,643 Hệ số bảo ôn Hệ số bảo ôn được xác định theo công thức sau φ = 1 – q5/(η + q5) = 1 – 2,8/(2,8 + 72,18) = 0,692 Diện tích trao đổi nhiệt bức xạ Theo công thức sách TKLH trang 56 ta có Hbx = ∑Fi.x Trong đó F : là diện tích do dàn ống choán chỗ X : là hệ số góc dàn ống, chọn x = 1 do các ống đặt dày. Vậy Hbx = F = 10,35 m2 Nhiệt độ khói thải ra khỏi buồng lửa Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa được xác định theo công thức sau : Kiểm tra sai số Sai số năm trong giới hạn cho phép. Lượng nhiệt bức xạ của buồng lửa Lượng nhiệt bức xạ của buồng lửa được xác định theo công thức : Qbx = φ(Qbl – I’’bl) kJ/kg Trong đó : φ : hệ số bảo ôn của lò Qbl : nhiệt lượng hữu ích của buồng lửa , kJ/kg I’’bl : entanpi của sản phẩm cháy, tương ứng với θ’’bl = 960 à tra bảng ta được I’’bl = 10572,78 kJ/kg. Vậy Qbx = 0,962(17420,86 – 10572,78) = 6587,85 kJ/kg. Hay Qbx = (6587,85.329,44)/3600 = 602,86 kW Tính toán nhiệt nhiệt cho pass 2 Cấu tạo pass 2 là phần diện tích trao đổi nhiệt được giới hạn bởi hai dãy vòng ống, dạng lồng ống, khe hẹp ở giữa hai vòng là 80 mm Diện tích trao đổi nhiệt trong pass 2 là phần diện tích vòng ngoài của dãy ống trong và vòng trong của dãy ống ngoài. Không khí chuyển động trong pass 2 là dạng không khí chuyển động trong khe hẹp, nên diện tích của nó được tính như sau : F2 = F21 + F22 Trong đó : - F21, F22 là diện tích bề mặt ngoài vòng ống trong, và bề mặt trong vòng ngoài. F2 = F21 + F22 = 3,14.Dtb1.d.n + 3,14.Dtb2.d.n = 3,14.0,076.(1,058.35 + 1,214.33) = 18,38 m2 Tiết diện khói đi trong pass 2 Fkd được xác định theo công thức sau : Fkd = 3,14[(Dtb2/2)2 – (Dtb1/2)2] = 3,14[(1,214/2)2 – (1,058/2)2] = 0,282 m2 Chiều dày hữu hiệu lớp bức xạ trong pass 2 được xác định theo công thức sau : Tính nhiệt cho pass 2 ta áp dụng phương pháp đồ thị cân bằng nhiệt, ta coi nhiệt độ khói ra pass1 chính bằng nhiệt độ khói vào pass 2. Do vậy θ’’p2 = 960°C, giả sử nhiệt độ khói ra pass 2 bằng hai giá trị θ’’p2 = 500°C và θ’’p2 = 550°C. Ta tiến hành tính toán nhiệt cho cả hai giá trị này, từ kết quả tính toán ta tìm được nhiệt độ khói ra pass 2. Bảng 16. Tính toán nhiệt cho pass 2 (Trang tiếp theo) 542 6000 5178,56 4457,83 4766,66 4643,14 500 550 5500 5000 4500 4000 Từ đồ thị ta thấy nhiệt độ khói thải ra khỏi pass 2 là θ’’p2 = 542oC à tra bảng entanpi ta được I’’p2 = 5657,17 kJ/kg Vậy lượng nhiệt truyền cho pass 2 là : Qtr = φ( I’p2 – a I’’p2 ) = 0,962( 10572,78 – 5657,17) = 4728,81 kJ/kg Hay Qtr = Q2 = 4728,81.329,44/3600 = 432,74 kW Tính nhiệt cho pass 3 Tính nhiệt cho pass 3 tương tự pass 2. Coi nhiệt độ khói ra pass 2 chính là nhiệt độ khói vào pass 3, do đó θ’’p2 = θ’p3 = 542oC, ta giả thiết nhiệt độ khói ra pass 3 bằng hai giá trị θ”p3 = 320oC và θ’”p3 = 380oC, tiến hành tính toán cho hai giá trị trên từ đó tìm được nhiệt độ khói ra ở pass 3 bằng phương pháp đồ thị. Cấu tạo phần ống ngoài của vòng ngoài, và vỏ lò. Ta xem không khí chuyển động trong pass 3 là dạng chuyển động qua khe hẹp, và diện tích pass 3 là dạng mặt phẳng, do đó được tính như sau : F3 = 3,14.Dtb2.h = 3,14.Dtb2.n.d = 3,14.0,076.1,51.33 = 9,56 m2 Tiết diện khói đi được tính theo công thức sau : Fkd = 3,14[(Dv/2)2 – (Dtb/2)2] = 3,14[(1,382/2)2 – (1,241/2)2] = 0,342 m. Chiều dày hữu hiệu lớp bức xạ khói được xác định theo công thức sau : S = 3,6.V/H = 3,6.0,342.2,85/9,56 = 0,367 Bảng 17. Tính nhiệt cho pass 3 (Trang tiếp theo) 2500 2000 1500 2246,55 1668,60 1799,43 1413,72 320 356 380 Từ đồ thị ta thấy nhiệt độ khói thải ra khỏi pass 3 là θ’’p3 = 542 à tra bảng entanpi ta được I’’p3 = 5657,17 kJ/kg Vậy lượng nhiệt truyền cho pass 3 là : Qtr = φ( I’p3 – a I’’p3 ) = 0,962( 5655,17 – 3841,31) = 1744,92 kJ/kg Hay Qtr = Q2 = 1744,92.329,4/3600 = 159,68 kW Vậy tổng nhiệt lượng mà khói truyền cho dầu tải nhiệt là : Qtt = Q1 + Q2 + Q3 = 602,86 + 432,74 + 159,68 = 1195,28 kW Hiệu suất của lò dầu truyền nhiệt đốt than đá: CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT KHÓI THẢI SỬ DỤNG ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG Ở chương 1, ta đã nói khái quát về một số thiết bị tận dụng nhiệt khói thải , qua đó, ta thấy ống nhiệt có nhiều ưu diểm so với các thiết bị tận dụng nhiệt khói thải của các thiết bị khác. Do đó,việc lựa chọn thiết bị tận dụng nhiệt khói thải sử dụng ống nhiệt trọng trương là một giải pháp tốt cho các lò dầu truyền nhiệt hiện nay. Để tìm hiểu kỹ hơn về ống nhiệt và thiết bị tận dụng nhiệt khói thải sử dụng ống nhiệt trọng trường (ở đây tôi chọn thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt sử dụng ống nhiệt trọng trường dung để gia nhiệt cho không khí cung cấp cho quá trình đốt), tôi xin nêu ra một số lý thuyết về ống nhiệt và từ đó, áp dụng lý thuyết này để tính toán, thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khói thải trong các lò dầu truyền nhiệt đốt than đá (ở đây là lò dầu truyền nhiệt 1,25 triệu kcal/h) sử dụng ống nhiệt trọng trường. 4.1. Lý thuyết về ống nhiệt 4.1.1. Cấu tạo Hình 4.1. Cấu tạo ống nhiệt Ống nhiệt được chia làm 3 phần. - Phần bốc hơi còn gọi là phần sôi: Ở đây môi chất nhận nhiệt ở bên ngoài và làm môi chất đó sôi và bốc hơi. - Phần đoạn nhiệt (có thể có hoặc không): Trong phần này ống không trao đổi nhiệt với bên ngoài. Mục đích dẩn môi chất ở trạng thái khí hoặc hơi ở phần sôi về phần ngưng. - Phần ngưng: Ở đây môi chất toả nhiệt, hơi từ phần sôi sẽ được ngưng tụ thành chất lỏng và lỏng này sẻ được đưa trở lại phần sôi. 4.1.2. Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt Môi chất lỏng ở bên trong ống nhiệt tại phần sôi. Ở đây chất lỏng ngưng sẻ nhận nhiệt từ một nguồn cấp nhiệt nào đó ở bên ngoài của ống nhiệt (ví dụ khói lò, năng lượng bức xạ mặt trời.....). Khi nhận nhiệt chất lỏng ngưng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. Sau đó hơi được chuyển qua phần đoạn nhiệt rồi được chuyển thẳng đến phần ngưng. Sự dịch chuyển này nhờ sự chênh lệch áp suất giữa phần sôi và phần ngưng. Hơi tại phần ngưng trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài thông qua vách ống và nhả nhiêt cho môi trường cần làm nóng ở phía bên ngoài của ống nhiệt (ví dụ nước,không khí,…). Hơi sau khi trao đổi nhiêt với môi trường bên ngoài ngưng tụ thành lỏng môi chất và được đưa ngược trở lại phần sôi nhờ nhiều lực khác nhau như lực trọng trường, lực mao dẩn,… Biểu diển quá trình hoạt động của môi chất bên trong của ống nhiệt trên đồ thị T- s Hình 4.2. Đồ thị T – s P1 : Áp suất hơi ở phần sôi P2 : Áp suất hơi ở phần ngưng Trong đó: AB-Quá trình bốc hơi tại vùng sôi khi môi chất nhận nhiệt ở bên ngoài ở áp suất P1. BC - Quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngưng, ở đây do ma sát áp suất của hơi giảm từ P1 đến P2 ( áp suất hơi trong phần ngưng ). CD - Quá trình ngưng tụ hơi tại phần ngưng. Môi chất sẻ toả nhiệt ra bên ngoài tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất P2. DA - Quả trình chất lỏng chuyển động từ phần ngưng theo bề mặt trong của ống nhiệt về phần sôi nhờ các lực khác nhau. Tại phần sôi chất lỏng sẻ được đốt nóng lên đến nhiệt độ sôi và quá trình được lặp lại. Như vậy có thể xem môi chất trong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình. Có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách khác nhau. Ở đây ống nhiệt được phân loại theo lực tác dụng, đẻ đưa chất lỏng ngưng quay về phần bốc hơi. Ta có các loại ông nhiệt sau: Ống nhiệ