ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT THUỐC

Việc sử dụng năng lượng nhiệt có thể phân thành hai nhóm chính: sử dụng năng lượng nhiệt nhằm phục vụ các nhu cầu sinh hoạt và sử dụng năng lượng nhiệt trong sản xuất, trong các xí nghiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT THUỐC

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : TS Bùi Hồng Sơn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT VÀ THIẾT BỊ

NGUỒN CẤP NHIỆT 4

1.1 Tổng quan về hệ thống cấp nhiệt……… 4

1.2 Tổng quan về các thiết bị nguồn cấp nhiệt………4

1.3 Tổng quan về tính toán nguồn cấp nhiệt……….

…… 6

1.4 Chọn phương án sử dụng nhiên liệu……… 9

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO SƠ ĐỒ NHIỆT NGUYÊN LÝ 11

2.1 Cấp hơi 11

2.2 Gia nhiệt cho nước: 11

2.3 Hệ thống đường nước hồi 11

2.4 Hệ thống tự động 12

2.5 Các đường ống nhánh 12

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 14

3.1 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt 14

3.2 Tính chọn bơm cấp nước 21

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠNG NHIỆT …….……….……… …22

39

41

LỜI NÓI ĐẦU

Từ thủa xa xưa con người đã biết sử dụng năng lượng nhiệt nhằm phục vụ cho cuộc sống của chính mình Con người đã biết dùng lửa để sưởi ấm, để nấu chín thức ăn và xua đuổi thú dữ …

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển ngày càng mạnh thì năng lượng nhiệt

là nhu cầu về năng lượng lớn nhất của con người Việc sử dụng năng lượng nhiệt

có thể phân thành hai nhóm chính: sử dụng năng lượng nhiệt nhằm phục vụ các nhu cầu sinh hoạt và sử dụng năng lượng nhiệt trong sản xuất, trong các xí nghiệp công nghiệp, khu công nghiệp…Và việc sử dụng năng lượng nhiệt một cách tập trung đã hình thành các hệ thống cung cấp nhiệt Vấn đề là chúng ta sử dụng các nguồn năng lượng nhiệt này sao cho hiệu quả là cao nhất

Để có kiến thức cơ bản để có thể khảo sát, thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thốngcung cấp nhiệt một cách an toàn và kinh tế, sinh viên ngành nhiệt đã được trang bị

môn học “Hệ thống cung cấp nhiệt” và làm đồ án về môn học này Do kiến thức

còn hạn chế nên bản đồ án môn học này chỉ trình bày việc tính toán thiết kế về nhiệt thuần tuý mà chưa mở rộng phạm vi ra việc thiết kế hoàn chỉnh toàn bộ một

xí nghiệp sản xuất sử dụng năng lượng nhiệt

Dưới đây là bản tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nhiệt cho nhà máy sản xuất thuốc Do kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này chắc chắn không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Bùi Hồng Sơn đã giúp đỡ em hoàn thành bản

đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT VÀ THIẾT BỊ NGUỒN CẤP NHIỆT

1.1 Tổng quan về hệ thống cấp nhiệt

Nội dung thiết kế:

- Cấp hơi cho các Xưởng sản xuất với áp suất hơi yêu cầu là 5 kG/cm2, các xưởng gồm: Cất nước 550 kg/h, Đông dược 1200 kg/h, Thuốc nước 250 kg/

h, Nang mềm 250 kg/h, Cefalosporin 300 kg/h, Viên nang Beta Lactam 350kg/h, Viên 450 kg/h, Nguyên liệu 550 kg/h

- Cấp hơi cho nhà bếp để nấu 1200 suất ăn, áp suất hơi yêu cầu là 4 kG/cm2

- Sản xuất nước nóng ở nhiệt độ 70 oC cho khu nhà văn phòng, nhà ăn 11 m3

- Hệ số nhân diện tích so với mặt bằng cơ sở là 1.1

1.2 Tổng quan về các thiết bị nguồn cấp nhiệt.

Một trong bốn phát minh quan trọng nhất của loài người là lửa Lửa và một sốnguồn năng lượng nhiệt khác đóng một vai trò quan trọng đối với con người Hiệnnay các nguồn nhiên liệu đang ngày càng cạn kiệt, vấn đề ôi nhiễm môi trườngngiêm trọng hơn và nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng nhanh như ngày nay, việc sửdụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm đã là một yêu cầu cấp thiết Trong

đó việc cấp nhiệt cho các tòa nhà sử dụng các nguồn nhiên liêu sơ cấp như than,dầu, năng lượng mặt trời, địa nhiệt là một trong những phương pháp hiệu quả.Chính việc sử dụng trực tiếp nguồn nhiên liệu sơ cấp đã bỏ qua được hiệu suất tạicác nhà máy nhiệt điện (khoảng 35- 40%) và các chất ôi nhiễm thải ra trong quátrình sản xuất điên năng

1.2.1 Sơ đồ cấp nhiệt sử dụng lò hơi loại nhỏ, vừa

- Sơ đồ này sử dụng cho các nơi sử dụng nhiệt cỡ vừa Ngoài nhu cầu dùngnước nóng nó còn cung cấp được một số nhu cầu dùng nhiệt cao cấp khácnhư hơi để giặt là, các thiết bị sấy, xông hơi

- Nhiên liệu thường dùng là than, dầu hoặc khí đốt

- Dựa vào phương pháp gia nhiệt cho nước ta cso thể phân ra làm 2 loại sơ đồtrung tâm cấp nhiệt dùng lò hơi

a Trao đổi nhiệt hỗn hợp

Hình 1.1 Sơ đồ cấp nước nóng sử dụng thiết

bị hỗn hợp

LH- lò hơi; OGH - ống góp hơi; BNM – bể nước mềm; NN-nước nóng ra; NH- Nước hồi

Nguyên lý hoạt động: Nước lạnh được cấp vào bể nước nóng Nhiên liệu được đốt

nóng trong không gian buồn đốt của lò hơi Khói nóng sẽ trao đổi nhiệt bề mặt vớinước đi trong giàn ống gia nhiệt trong không gian buồng đốt làm sinh hơi tại đó.Hơi nước có nhiệt độ cao này sẽ được dẫn tới ống góp hơi Từ đây hơi bão hòa sẽđược trích ra để dẫn qua bể nước nóng và tại đây nó sẽ được trao đổi nhiệt với bềmặt nước lạnh trong bể trước khi hòa trộn với nước lạnh để làm tăng nhiệt độ củanước trong bể lên nhiệt độ yêu cầu Nước cấp cho lò được lấy từ bể nước mềm.Nước nóng sẽ được đưa đến các hộ tiêu thụ nhiệt Khi nhiệt độ ở trong đường ốngcấp giảm xuống dưới nhiệt độ cho phép thì ta cho quay lại bề nước nóng để gianhiệt bổ sung qua đường hồi

- Ưu điểm: đơn giản, dễ quản lý và vận hành

- Nhược điểm: Khống có lượng nước ngưng tuần hoàn về nên thiết bị xử lýnước cấp vào lò pải có công suất lơn nên giá thành tăng

- Áp dụng cho các tòa nhà khách sạn chung cư cao tầng có nhu cầu nhiệt vừa

và nhỏ

b: Trao đổi nhiệt bề mặt

Hình 1.2 Sơ đồ cấpnước nóng sử dụngthiết bị bề mặt kiểudung tích

LH- lò hơi; OGH - ống góp hơi; BNM – bể nước mềm; NN-nước nóng ra; Nước hồi

NH-Nguyên lý hoạt động: Cũng tương tự như nguyên lý hoạt động của lò hơi trao đổi

nhiệt hỗn hợp, chỉ khác ở chỗ là hơi sau khi trao đổi nhiệt bề mặt với nước trong bểthì không hòa trộn tại đó nữa mà được dẫn quay trở lại lò hơi Bể nước mềm cónhiệm vụ bổ sung sự thiếu hụt cho nước cấp tới lò

- Áp dụng cho những nơi sử dụng nước nóng nhiều và chế độ dùng nước nóngkhông đều đặn

1.2.2 Một số nguồn cấp nhiệt khác

- Cấp nhiệt sử dụng nguồn cấp nhiệt bên ngoài (Nhà máy nhiệt điện) Thườngđược sử dụng ở những nơi gần các nhà máy nhiệt điên hoặc các nguồn nhiệttrung tâm lớn

- Cấp nhiệt sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời Thường được áp dụng ởnhững nơi có diện tích chiếu sáng lớn

- Cấp nhiệt nhờ tận dụng nhiệt thải từ bình ngưng của hệ thống lạnh và điềuhòa không khí

- Cấp nhiệt bằng thiết bị gia nhiệt dùng điện trực tiếp

1.3 Tổng quan về tính toán nguồn cấp nhiệt

1.3.1: Chọn thiết bị lò hơi:

a Lượng hơi cấp cho các xưởng sản xuất.

r = 2109 (kJ/kg) : nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg nước ở áp suất 5 (kG/cm2).

b Lượng hơi cấp cho nhà bếp:

Theo tìm hiểu thì mỗi suất ăn của 1 công nhân bao gồm 0.4kg gạo, 0.3 kg đồ ăn, 0.1 kg canh Vậy, với 1200 suất ăn ta sẽ có giá trị quy đổi như sau:

r = 2133 kJ/kg – nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg nước ở áp suất 4kG/cm2

η=0,85: Hiệu suất của thiết bị gia nhiệt

Vậy, suất tiêu hao hơi của nhà ăn là :

Công suất lò sinh hơi cung cấp cho nhà ăn là :

c Lượng hơi phục vụ cho nhu cầu sản xuất nước nóng:

r = 2109 kJ/kg – nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg nước ở áp suất 5 kG/cm2

η=0,85: Hiệu suất của thiết bị gia nhiệt

- Công suất lò sinh hơi cung cấp cho nhu cầu sản xuất nước nóng là :

1.4 Chọn phương án sử dụng nhiên liệu:

Hiện nay nguồn nhiên liệu sử dụng trong các trung tâm cấp nhiệt bằng lò hơi

ở nước ta chủ yếu là 2 loại nhiên liệu chính: đó là than và dầu Việc lựa chọnnguồn nhiên liệu sử dụng trong các trung tâm cấp nhiệt là một bài toán tối ưu kinh

tế kỹ thuật Để lựa chọn phương án cấp nhiệt thì ta dựa vào các tiêu chí sau:

- Chi phí đầu tư: Hệ thống cấp nhiệt sử dụng nhiên liệu dầu có chi phí banđầu cao hơn so với hệ thống sử dụng nhiên liệu than do giá thành các thiết bị caohơn

- Chi phí vận hành: Do than rẻ hơn dầu rất nhiều và sẵn có ở nước ta nên chiphí vận hành của hệ thống cấp nhiệt dùng nhiên liệu than thấp hơn so với phương

án sử dụng dầu Tuy nhiên, hệ thống cấp nhiên dùng dầu có khả năng tự động hóarất cao nên hệ thống vận hành đơn giản và an toàn hơn so với phương án dùngthan

Ta tính chi phí nhiên liệu để đun 100 kg nước từ 20 0 C lên 70 0 C.

a: Các thông số:

- Nhiệt độ nước lạnh: t1 = 20 0C

- Nhiệt độ nước nóng: t2 = 70 0C

- Nhiệt trị của dầu D.O: Qtlv = 40.000 kJ/kg

- Nhiệt trị của than: Qtlv = 22000 kJ/kg

- Tính toán gia nhiệt cho: 100 kg nước

b: Tính nhiệt và chi phí để sản xuất nước nóng:

¿ Lượng nhiệt cần cung cấp cho 100 kg nước để tăng từ 20 0 C đến 70 0 C:

Q=G C p(t2−t1)

Trong đó:

Q (kJ): nhiệt lượng cần cung cấp cho nước

G (kg): khối lượng nước cần gia nhiệt; G = 100 kg

Cp (kJ/kgK): nhiệt dung riêng của nước; Cp = 4,2 kJ/kgK

t2 (0C): nhiệt độ nước nóng yêu cầu; t2 = 700C

t1 (0C): nhiệt độ nước lạnh ban đầu; t1 = 200C

Thay số vào phương trình ta được :

Q = 100.4,2 (70 - 20) = 21000 (kJ)

¿ Chi phí khi gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt than.

- Lượng than cần thiết để gia nhiệt cho 100 kg nước là :

Trong đó: giá thành của than trên thị trường hiện nay là 3600 vnđ/kg

¿ Chi phí khi gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt dầu :

- Lượng dầu cần thiết để gia nhiệt cho 100 kg nước là :

G d ầu= Q

Q t lv .ηd=

21000

ηd = 0,8 - tích hiệu suất của lò hơi đốt dầu và thiết bị gia nhiệt cho nước

- Vậy chi phí khi gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt dầu là:

+ Khi gia nhiệt bằng lò hơi đốt than : 6840 (đ/100 kg)

+ Khi gia nhiệt bằng lò hơi đốt dầu : 12870 (đ/100 kg)

Vì yêu cầu về môi trường và tính tiện nghi nên ta chọn hệ thống lò hơi đốt dầu Lòhơi đốt dầu có chi phí nhân công ít hơn và khả năng tự động hoá cao và khói thải ramôi trường sạch hơn

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO SƠ ĐỒ NHIỆT NGUYÊN LÝ.

2.1 Cấp hơi

Hơi bão hòa từ 2 lò hơi cấp vào ống góp phân phối hơi từ ống góp phân phối hơicấp hơi cho các hộ tiêu thụ nhiệt bằng ống thép đen Có 1 đường cấp hơi chính từống góp hơi, được chia làm 3 đường nhỏ cấp hơi đi Đường thứ nhất cấp hơi chothiết bị trao đổi nhiệt trên mái để cung cấp nước nóng, đường thứ 2 cấp hơi chophòng giặt là, đường thứ cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt ở bể bơi nhằm gia nhiệtcho bể bơi

2.2 Gia nhiệt cho nước:

Nước lạnh từ nguồn cấp bổ sung vào bể nước hồi, tại đây nước được hòa trộn với

nước hồi nên được gia nhiệt lên một chút bởi vì nước hồi có nhiệt độ cao hơn Khi

lò bắt đầu chạy, nguồn nước dự trữ và nước hồi không có thì nhiệt độ nước tại bể nước hồi chính là nhiệt độ của nước lạnh, sau đó nước được dẫn qua bình trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ Tại đây, nước nhận nhiệt của hơi để chuyển thành nước có nhiệt

độ 70oC, nước này sẽ được dẫn đi cung cấp cho khu nhà văn phòng và nhà ăn

2.3 Hệ thống đường nước hồi

Hơi sau khi gia nhiệt cho nước ở bình trao đổi nhiệt bề mặt (bình ngưng ốngvỏ) ngưng tụ lại thành nước Nước ngưng được hồi cùng với nước bổ sung đã được

xử lí ở bể nước mềm cấp cho lò hơi Chúng ta phải bổ sung nước mềm cho lò hơi

là do: nước ngưng trở về lò bị tổn thất do rò rỉ hoặc do hơi thoát khi xả khí khôngngưng trong hệ thống đường ống hơi

Do tổn thất nhiệt nên khi ta để nước quá lâu thì nhiệt độ nước nóng trong hệthống giảm Khi nhiệt độ nước nóng xuống thấp quá không đủ đảm bảo sinh hoạtthì cần phải hồi về bể hồi đặt ở trên cao Sở dĩ ta hồi về bể nước hồi mà không hồi

về bể nước nóng tổng là vì để nhiệt độ của nước nóng tại bể tổng vẫn đảm bảonhiệt độ yêu cầu cấp cho các phòng, không bị giảm đi bởi lượng nước hồi hòa trộn

vào ở cuối mỗi nhánh chính, tại tầng kỹ thuật, ta bố trí đường hồi khi nhiệt độ t <

500C Để thực hiện việc hồi nước, sử dụng một cụm van từ: Lấy tín hiệu nhiệt độnước nóng ở cuối mỗi đường ống cấp nước nóng chính, đưa tín hiệu về điều khiểntrung tâm, khi nhiệt độ nước nóng trong ống nhỏ hơn nhiệt độ chỉ định thì van từ

mở cho nước hồi về Còn một lượng nước nóng cung cấp cho điểm sử dụng ở tầngdưới, chúng ta có thể xả bỏ khi nhiệt độ quá thấp vì nếu lắp đặt đường hồi thì sẽkhông kinh tế vì đường ống hồi quá dài, trong khi đó lượng hồi về lại rất nhỏ

- Khống chế áp suất trong lò hơi, van an toàn

- Bộ khống chế nhiệt độ nước nóng trong hệ thống: Khi nhiệt độ trong hệ thống lớn hơn 800C thì van từ cấp hơi đóng, ngừng cấp hơi gia nhiệt và lò hơi tự động ngừng đốt, khi nhiệt độ trong hệ thống nhỏ hơn 800C thì van từ cấp hơi mở cấp hơi gia nhiệt để gia nhiệt cho nước và lò hơi tự động đốt trở lại

Khống chế mức nước trong bể nước nóng: Khi mực nước trong bể giảm nhỏ hơn mức cho phép thì bơm cấp tự hoạt động cấp nước cho bể, khi mực nước cao hơn mức cho phép thì bơm cấp tự ngừng cấp nước cho bể

- Do ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu liên tục nên có thể đáp ứng nhucầu nước nóng và hơi cho khách sạn một cách nhanh nhất.

- Hệ thống này có khả năng khống chế nhiệt độ nước nóng tốt, khả năng tựđộng hóa cao Có khả năng đáp ứng tốt nhu cầu nước nóng và hơi của khách sạn -

Hệ số an toàn của hệ thống cao

 Nhược điểm:

- Quản lí và vận hành tương đối phức tạp

- Chi phí đầu tư khá cao do lắp đặt bình gia nhiệt, các thiết bị tự động

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt

Trong sơ đồ nhiệt ta thấy rằng môi chất truyền nhiệt ở đây là hơi, còn môichất nhận nhiệt là nước lạnh Vì vậy ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bình ngưngống vỏ Ta tính trong trường hợp hoạt động của 1 bình đủ cung cấp cho nhu cầudùng nước nóng của khách sạn trong thời gian cao điểm

Bình gia nhiệt phải thỏa mãn điều kiện làm việc trong trường hợp xấu nhất đólà: vào giờ cao điểm hoặc khi bắt đầu đốt lò, lượng nước hồi coi như bằng không,nhiệt độ đầu vào của nước lạnh cần gia nhiệt bằng nhiệt độ nước thấp nhất do đócần độ gia nhiệt lớn Còn trong trường hợp có nước hồi và không phải giờ caođiểm thì chỉ cần giảm công suất lò hoặc tắt một lò

Nước lạnh cần gia nhiệt có nhiệt độ đầu vào t = 200C và nhiệt độ đầu ra là

700C đảm bảo nhiệt độ yêu cầu dùng nhiệt

Bài toán thiết kế:

Thiết bị TĐN kiểu ống vỏ, 1 bước vỏ 2 bước ống, hơi nước ngưng ở áp suất5kG/cm2 đi phía vỏ Nước lạnh vào có lưu lượng 3,06 kg/s nhiệt độ 20oC và đi ra

có nhiệt độ 70oC Hơi nước ngưng đi bên ngoài ống không có cánh có đường kính

d2/d1 = 19/16 mm Nước đi trong ống thép cacbon có hệ số dẫn nhiệt 60 W/mK.Chùm ống bố trí vuông góc với tỉ số bước ống PR= 1,25 Khoảng cách tấm chắnB= 0,6D và phần bị cắt là 25% Trở kháng bám bẩn Rf =0,000176 m2K/W Tốc độlớn nhất không quá 1,5 m/s để tránh ăn mòn Chiều dài ống L = 4m Hiệu suất tổnthất nhiệt là 98%

- Độ chênh nhiệt độ trung bình:

- Tính chọn sơ bộ thiết bị TĐN, theo bảng 5.2 chọn hệ số TĐN theo TEMA:

Hệ số TĐN đối lưu phía vỏ: α1 = 10000

Hệ số TĐN đối lưu phía ống: α2 = 6000

CL = 1 đối với sơ đồ 90o và 45o

CL = 0,87 đối với sơ đồ 30o và 60o

CTP: hằng số tính toán ống

2 = 12,03 (ống)

Fth = π d tb L N=π 0,016+0,019

2 4 26 = 5,72 (m2)

 Tính lại α1 vàα2 theo thiết bị thực tế:

- Áp dụng công thức tính hệ số tỏa nhiệt phía vỏ khi hơi ngưng ngoài chùm ốngnằm ngang:

Trong đó: Tra thông số vật lý của hơi tại t = 151,84 oC

 Nhiệt ẩn hóa hơi: r = 2109 103 (J/kG)

 Khối lượng riêng: ρ = 915 (kg/m3)

 Gia tốc trọng trường: g = 9,8 m/s2

 Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,684 W/m2K

 Độ nhớt: ν = 0,203 10-6 (m2/s)

 Đường kính ngoài của ống: d1 = 19 (mm) = 0,0019 (m)

 Nhiệt độ của hơi: tk = 151,84 oC

 Nhiệt độ vách ống: tw = 100 oC