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

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

4.1 Tính toán thủy lực ống dẫn cấp nước nóng 4.2 Tính toán thủy lực ống dẫn cấp nước ngưng……….……… 39

4.3 Tính toán thủy lực ống dẫn cấp hơi……… 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 thống

cung 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:

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

350 kg/h, Viên 450 kg/h, Nguyên liệu 550 kg/h

- 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 số

nguồn năng lượng nhiệt khác đóng một vai trò quan trọng đối với con người Hiện

nay các nguồn nhiên liệu đang ngày càng cạn kiệt, vấn đề ôi nhiễm môi trường

ngiêm trọng hơn và nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng nhanh như ngày nay, việc sử

dụng 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 tại

các nhà máy nhiệt điện (khoảng 35- 40%) và các chất ôi nhiễm thải ra trong quá

trình 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 với

nước 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 sẽ

được trích ra để dẫn qua bể nước nóng và tại đây nó sẽ được trao đổi nhiệt với bề

mặt nước lạnh trong bể trước khi hòa trộn với nước lạnh để làm tăng nhiệt độ của

nước 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 ống

cấp giảm xuống dưới nhiệt độ cho phép thì ta cho quay lại bề nước nóng để gia

nhiệt 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;

NH-Nước hồi

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 bể

thì không hòa trộn tại đó nữa mà được dẫn quay trở lại lò hơi Bể nước mềm có

nhiệm 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

a Lượng hơi cấp cho các xưởng sản xuất.

- Tổng lượng hơi cấp cho 8 xưởng sản xuất, áp suất hơi yêu cầu 5kG/cm2 là:

- Công suất lò cần dùng là:

QL1 = D1.r =3900.21093600 = 2284.75 (kW)Trong đó :

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:

 0.4 x 1200 = 480 kg cơm

 0.3 x 1200 = 360 kg đồ ăn

 0.1 x 1200 = 120 kg canh

Theo tìm hiểu thực tế, với 100kg thức ăn cần có một nồi có công suất điện trung

bình là 14kW Và thời gian để nấu chín các loại thức ăn trên lần lượt là: cơm cần

30 phút, đồ ăn cần 20 phút, canh cần 10 phút

Vậy lượng nhiệt cần sử dụng để nấu chín các loại thức ăn và lượng hơi cần dùng sẽ

được tính như sau:

Vậy, suất tiêu hao hơi của nhà ăn là :

D2 = Dcơm + Dcanh + Dđồ ăn = 133.5 + 100.07 + 33.36 = 267 (kg/h)Công suất lò sinh hơi cung cấp cho nhà ăn là :

QL2 = 0,85 30.60120960 + 604800,85.20.60+ 6100800,85 10.60=79.06 + 59.3 + 19.77

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

- Lượng nhiệt cần thiết truyền cho nước lạnh để 11000 lít nước từ t1 = 15 oC

- Suất tiêu hao hơi để phục vụ cho nhu cầu sản xuất nước nóng là:

D3 ¿r η Q = 2109.0,852299000 =¿1282.5 (kg/h)Trong đó:

- 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 chọn

nguồn 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 cao

hơn

- 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 hóa

rất cao nên hệ thống vận hành đơn giản và an toàn hơn so với phương án dùng

- Tính toán gia nhiệt cho: 100 kg nước

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

Trong đó:

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

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

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)

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

= 2100022000.0,5=1,9 (kg)

(Đối với than [0,3-0,6] lấy trung bình Đối với TBTDN lấy 0,9)

- Vậy giá thành của việc gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt than là :

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

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

Q lv t ηd= 2100040000.0,8=0.66 (kg) = 0.825 lít

- 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 Lò

hơi đốt dầu có chi phí nhân công ít hơn và khả năng tự động hoá cao và khói thải ra

môi 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 hơi

cấp hơi cho các hộ tiêu thụ nhiệt bằng ống thép đen Có 1 đường cấp hơi chính từ

ống góp hơi, được chia làm 3 đường nhỏ cấp hơi đi Đường thứ nhất cấp hơi cho

thiết bị trao đổi nhiệt trên mái để cung cấp nước nóng, đường thứ 2 cấp hơi cho

phòng giặt là, đường thứ cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt ở bể bơi nhằm gia nhiệt

cho 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

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 không

ngưng 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 hoạt

thì 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 bảo

nhiệt 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 <

nước nóng ở cuối mỗi đường ống cấp nước nóng chính, đưa tín hiệu về điều khiển

trung 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 tầng

dưới, chúng ta có thể xả bỏ khi nhiệt độ quá thấp vì nếu lắp đặt đường hồi thì sẽ

không 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

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 ngưng

ống vỏ Ta tính trong trường hợp hoạt động của 1 bình đủ cung cấp cho nhu cầu

dùng 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 đó

cần độ gia nhiệt lớn Còn trong trường hợp có nước hồi và không phải giờ cao

điểm thì chỉ cần giảm công suất lò hoặc tắt một lò

Bài toán thiết kế:

Thiết bị TĐN kiểu ống vỏ, 1 bước vỏ 2 bước ống, hơi nước ngưng ở áp suất

Chùm ống bố trí vuông góc với tỉ số bước ống PR= 1,25 Khoảng cách tấm chắn

- Độ chênh nhiệt độ trung bình:

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

L = 4 (m): Chiều dài ống đã chọn

CL: hằng số sơ đồ bố trí ống

CTP: hằng số tính toán ống

- Diện tích TĐN thực tế là:

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

*Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía ống α2:

- Nhiệt độ trung bình:

tf = 70+202 = 45 oC

trình ăn mòn trong đường nước và đường hơi.

Nguyên lí làm việc: Cho nước đi qua một lớp vật chất có khả năng nhả vào

- Đối với nhà máy, lò hơi có công suất không cao, thông số hơi thấp vì vậy để

phần muối không thay đổi

- Các phản ứng xảy ra khi xử lí nước:

Ca(HCO3)2 + 2NaR = CaR2 + 2NaHCO3

thì bắt buộc phải tiến hành hoàn nguyên cationit Nguyên lí làm việc hoàn nguyên

là cho dung dịch muối NaCl có nồng độ từ 6%-8% đi qua cationit đã bị làm yếu

Trong thực tế NaCl cần cho quá trình hoàn nguyên thường là từ 2,5 đến 3,5 lượng

NaCl theo lí thuyết

- Các phản ứng hoàn nguyên xảy ra như sau:

Sơ đồ hệ thống xử lý nước dùng bình cation natri

1-bể dung dịch muối; 2- bình lọc dung dịch muối3-thùng chứa dung dịch muối đã lọc; 4- bình cationit natri5- Bơm dung dịch muối; 6- bơm nước qua bình cationit natri7- đường nước để rửa bình lọc hay để chuẩn độ dung dịch muối8- đường tái tuần hoàn của bơm muối

9- đường dung dịch muối hoàn nguyên10- đường nước chưa xử lý; 11- đường nước mềm.

12-đường nước rửa ngược; 13- xả

3.2 Tính chọn bơm cấp nước

- Để đảm bảo cho lò hơi làm việc một cách đầy đủ và liên tục ta chọn 2

bơm ly tâm cho 1 lò, mỗi bơm có công suất 100% công suất yêu cầu (1bơm hoạt động và 1 bơm dự phòng)

- Mỗi bơm có thông số tối thiểu như sau:

 Năng suất bơm cấp:

Trong đó:

 = 1,25 là hệ số dự phòng

D - lưu lượng hơi của mỗi lò D = 5500 (kg/h)

 Cột áp làm việc của bơm:

1,2 - hệ số dự trữ

 Công suất điện của động cơ:

b = 100.6,08.68750,75.3600 988 = 1,567 (kW)

H - cột áp của bơm, bar

 = 0,75 - hiệu suất của bơm