Tính trao đổi nhiệt trong cụm ống lửa và tính nhiệt bộ hâm của lò hơi đốt trấu 6 tấn

Ở phần này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cách tính trao đổi nhiệt trong cụm ống lửa và tính nhiệt bộ hâm. Từ đó sẽ tóm tắt được kết quả tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi đốt trấu.

Tính trao đổi nhiệt trong cụm ống lửa

Mục đích của phần này là xác định nhiệt độ và entanpi khói ra sau cụm ống cũng như lượng nhiệt trao đổi giữa khói và nước trong bao hơi. Cách tính toán trong phần này là sử dụng phương pháp lặp, ta giả thiết nhiệt độ khói ra, từ đó xác định được nhiệt độ khói ra thực. Nếu hai giá trị này khác nhau nhiều thì thay giá trị mới vào rồi tính lại cho đến khí nào sai số giữa hai giá trị này nhỏ hơn 5^oC thì thôi.

Ta có các thông số thiết kế bao hơi ở trên: đường kính bao hơi là 2,64 m, kích thước ống 76 x 3,3 mm, chiều dài ống l = 5 m, số ống cụm 1 là 88 ống, số ống trong cụm 2 là 71 ống và số ống trong cụm 3 là 71 ống.

Trước hết ta giả thiết nhiệt độ khói ra sau cụm ống: q”_co, dựa vào phần tính toán trong bảng 3.12 đã có nhiệt độ khói vào cụm ống q”_co, từ đó tính ra nhiệt độ khói trung bình trong cụm ống: q”_tb = 0,5.( q’_co +q”_co), ^oC và nhiệt độ trung bình tuyệt đối của khói T_co = + 273, K.

Khi khói chuyển động trong ống sẽ có sự trao đổi nhiệt tới bề mặt vách ống bằng đối lưu và bức xạ. Theo công thức (2.24), có hệ số toả nhiệt bức xạ:

α_bx = 5,67.10^-8.a.(a_b+l)/2.T³_co.[l- T_vo/T_co]⁴/[l- T_co/T_vo], W/m².K              (3.30)

Trong đó:     a: độ đen của dòng khói. Theo công thức (10-38) [4]:

a= 1- e^-kps.                                                          (3.31)

s: bề dày hữu hiệu lớp bức xạ trong ống, theo công thức (10-44) [4]:

s= 3,6.V_o/F_o = 3,6.n.π.d²_t.l/4.π.n.d.l, m.                     (3.32)

p - Áp suất trong buồng lửa, p = 0,1 Mpa.

k - hệ số làm yếu bức xạ. k = k_k + k_tro.m_tro.

k_k: hệ số làm yếu bức xạ bởi các khí 3 nguyên tử, theo công thức (10-42) [4]:

, cm²/kg.m.                   (3.33)

p_n: phân áp suất khí 3 nguyên tử, p_n = p.r_p = p.(r_H2O + r_CO2), Mpa.            (3.34)

k_tr: hệ số làm yếu bức xạ bởi các hạt tro, theo công thức (10-43) [4]:

k_tro = 44/ căn bậc 3(T²_co.d²_tro), cm²/kg.m.                                   (3.35)

μ_tro: nồng độ tro bay trong khói, μ_tro = A^lv.a_b/100G_khi, kg/kg                                  (3.36)

G_khi: khối lượng khí, G_khi = 1 - A^lv/100 + 1,306.a.V^o_kk , kg/kg.                       (3.37)

a_b: độ đen của lớp bám bẩn, a_b = 0,82.

T_vo: nhiệt độ tuyệt đối vách ống, T_vo = t_bh+ 50 + 273, K.                           (3.38)

t_bh: nhiệt độ hơi bão hoà trong bao hơi.

Hệ số toả nhiệt đối lưu tính xuất phát từ công thức (10-84) [4]:

Nu = 0,023.Re^0,85.Pr^0,4.C_t.C_l                                                      (3.39)

Trong đó:     Nu: tiêu chuẩn Nusselt, Nu = α.d_t/λ                                      (3.40)

Từ đó ta tính được hệ số toả nhiệt đối lưu theo công thức:

α_dl = 0,023.(λ/d_t).Re^0,85.Pr^0,4.C_t.C_l, W/m².K.                           (3.41)

Re: tiêu chuẩn Reynold, Re = ω.d_t.υ                           (3.42)

Pr: tiêu chuẩn Prandtl, tra bảng 8 [1].

C_l: hệ số hiệu chỉnh về chiều dài của rãnh lưu động, tra toán đồ 10-22 [4] được C_l = 1.

C_t: hệ số hiệu chỉnh về trường nhiệt độ dòng, do ở đây là làm lạnh khói nên C_t  = 1,06.

l: hệ số dẫn nhiệt của khói, tra bảng 8 [1], W/m.K.

u: độ nhớt động học của khói, tra bảng 8 [1], m²/s.

w: tốc độ khói trong ống, w = B_tt.V_kh.(q_tb + 273)/(273.f ), m/s     (3.43)

f: tiết diện khói vào cụm ống theo thiết kế (bảng 3.9), m².

Sau khi xác định được hệ số toả nhiệt đối lưu và bức xạ, ta xác định hệ số toả nhiệt từ khói tới vách ống, theo công thức (10-73) [4]:

a_co = x.(a_dl + a_bx ), W/m².K                                       (3.44)

x - hệ số bao phủ ống, chọn x = 0,85.

Hệ số truyền nhiệt của cụm ống:

K = y.a_co, W/m².K                                                     (3.45)

y - hệ số sử dụng ống, chọn y = 0,8.

Nhiệt lượng khói trao đổi với nước cấp khi chuyển động qua cụm ống:

Q = 0,001.F.K.(T_co – T_vo)/B_tt, kJ/kg.                           (3.46)

Từ đó tính được entanpi khói ra sau cụm ống:I”_co = I’_co – Q, kJ/kg. (3.47)

I’_co- entanpi khói vào cụm ống, đã tính ở phần trước.

Tra bảng entanpi của khói ta sẽ được nhiệt độ khói ra sau cụm ống, so sánh với nhiệt độ khói ra giả thiết ban đầu, nếu sai số nhỏ hơn 5^oC thì chấp nhận nhiệt độ khói ra tính toán được.

Việc tính toán lặp này được thực hiện trong Excel, bảng 3.13÷3.15 sau đây thể hiện kết quả tính sau cùng:

Bảng 3.13: Tính truyền nhiệt phần cụm ống thứ nhất

Từ kết quả tính toán ta thấy nhiệt độ khói sau cụm ống 1 tính được là 319,9^oC, chênh lệch so với nhiệt độ khói sau cụm ống 1 giả thiết ban đầu là Δt = 0,12^oC nên chấp nhận được.

Bảng 3.14: Tính truyền nhiệt phần cụm ống thứ hai

Từ kết quả tính toán ta thấy nhiệt độ khói sau cụm ống 2 tính được là 242,5^oC, chênh lệch so với nhiệt độ khói sau cụm ống 2 giả thiết ban đầu là Δt = 0,51^oC nên chấp nhận được.

Bảng 3.15: Tính truyền nhiệt phần cụm ống thứ ba

Từ kết quả tính toán ta thấy nhiệt độ khói sau cụm ống 3 tính được là 219,7^oC, chênh lệch so với nhiệt độ khói sau cụm ống 3 giả thiết ban đầu là Δt = 0,7^oC nên được chấp nhận.

Tính nhiệt bộ hâm

Bộ hâm nước sử dụng trong lò hơi là bộ hâm bằng gang có cánh vuông như trên hình sau:

             Cấu trúc bộ hâm         

                                  Bố trí cánh bộ hâm

a) Xác định các diện tích nhận nhiệt của bộ hâm

• Diện tích nhận nhiệt bên trong ống:

F_t = π.d_t.l.n ; m²                                                                                  (3.48)

Trong đó:     d_t - đường kính trong của ống; m

l - chiều dài ống; m

n - tổng số ống      

• Diện tích nhận nhiệt phần không làm cánh:

F_loc = π.d_n.(l-n_c.δ_c).n; m²                                              (3.49)

Trong đó:     d_n- đường kính ngoài của cánh; m

                     n_c- số cánh trên một ống

                     d_c - Bề rộng cánh; m

• Diện tích nhận nhiệt phần làm cánh:

F_lc = (2.(l²_c - π.d²_n/4) +4.l_c.δ_c).n.n_c ; m²                                 (3.50)

Trong đó:     l_c- chiều dài cạnh cánh

b) Xác định hệ số truyền nhiệt trong bộ hâm

Tốc độ khói đi trong bộ hâm được xác định theo công thức 5.22 [6]:

v_k = (B_tt.V_k(t_k+273))/273.F_lt; m/s                                                (3.51)

Trong đó:     F_lt là diện tích lưu thông của khói trong bộ hâm:

F_lt= a.b - (d_n.(l - n_c.δ_c)+ n_c.δ_c.l_c).n_n; m²                        (3.52)

a,b là chiều rộng và chiều dài đường khói; m

Từ vận tốc khói đi trong bộ hâm v_k và nhiệt độ trung bình của khói t_k tra toán đồ XVI [2] với bộ hâm nước bằng gang có cánh vuông ta xác định được hệ số truyền nhiệt xác định với bề mặt làm cánh k. Trong trường hợp này bộ hâm không có hệ thống thổi bụi nên hệ số trao đổi nhiệt giảm 20% [6].

c) Kiểm tra lại nhiệt độ nước ra khỏi bộ hâm

• Lượng nhiệt do không khí lạnh mang vào:

                                         Q_{KKL =} α_ls.I_KKL; kJ/kg                                                   (3.53)

Trong đó:     a - Hệ số không khí thừa

I_KKL - Entanpi của không khí lạnh, tra bảng không khí; kJ/kg

• Lượng nhiệt khói truyền cho nước:

Q_bh = k.F_n.Δt.10^-3/B_tt; kJ/kg                                (3.54)

Trong đó:     F_n - tổng diện tích phía làm cánh

F_n = F_noc + F_nc; m²                                                                             (3.55)

• Entanpi của khói đầu vào bộ hâm:

I^'_k = Q_bh/φ + I^'_k - Q_KKL; kJ/kg                                           (3.56)

Từ giá trị Entanpi tra từ bảng 3.4, tra ngược lại giá trị nhiệt độ đầu vào t^’_k rồi so sánh với giả thiết.

• Entanpi của nước ở đầu ra bộ hâm:

i^''_n = Q_bhB_tt/D_dm + i^'_n; kJ/kg                                           (3.57)

Từ giá trị Entanpi dùng bảng thông số của nước tra ngược lại nhiệt độ đầu ra bộ hâm rồi so sánh với giả thiết.

Chọn thiết kế bộ hâm nước được cho trong bảng 3.16:

Bảng 3.16 Kích thước thiết kế bộ hâm nước

Các bước tính toán truyền nhiệt cho bộ hâm nước được cho trong bảng 3.17:

Bảng 3.17 Tính toán truyền nhiệt bộ hâm nước

Tóm tắt kết quả tính toán thiết kế lò hơi tầng sôi 6 tấn/giờ

Qua quá trình tính toán và thiết kế lò hơi tầng sôi công suất 6 tấn/giờ đã đưa ra được các thông số làm việc của lò hơi. Sai số trong việc tính toán sản lượng hơi sinh ra so với thiết kế ban đầu là ΔD = 0,28%.

Thông số làm việc của lò hơi ở chế độ định mức 6 tấn hơi/giờ được cho trong bảng 3.18:

Bảng 3.18 Thông số làm việc của lò hơi ở chế độ định mức

Trên đây là toàn bộ thông tin về phương pháp thiết kế lò hơi tầng sôi đốt trấu công suất 6 tấn/giờ mà Lò hơi Bách Khoa đã tổng hợp. Hy vọng sẽ là tài liệu quan trọng và hữu ích khi bạn nghiên cứu về thiết bị này.