1. Giới thiệu. Nồi hơi Firetube được thiết kế cho mục đích trao đổi nhiệt quy mô công nghiệp để làm nóng chất lỏng bão hòa đi vào thể tích điều khiển thành khí bão hòa. Thoát khí thoát ra khỏi thể tích điều khiển có thể bị giảm áp suất khi quay trở lại áp suất khí quyển. Nồi hơi Firetube bao gồm một thân tàu hình trụ chứa đầy vật liệu cách nhiệt, trong đó một loạt các ống được chứa. Không khí nóng từ đầu đốt được truyền từ lò nung ở đèo thứ 1 đến một loạt các ống trong đèo thứ 2, sau đó đến một loạt các ống trong đèo thứ 3. Cuối cùng, không khí nóng thoát ra ngoài qua một ống khói. Lò hơi chứa đầy nước lên đến mức cao nhất của đèo thứ 3 được bơm từ chân lò hơi. Hơi nước sau đó được bơm từ đỉnh lò hơi đến bất cứ nơi nào cần sưởi ấm. Lò hơi chứa một van an toàn, khi áp suất trở nên quá cao do tắc nghẽn hoặc quá nóng, sẽ giải phóng hơi nước dư thừa. 2. Mô tả dự án. Đội ngũ kỹ sư của chúng tôi đã thiết kế một nồi hơi ống lửa threepass với công suất 5000 kg hơi mỗi giờ và áp suất vận hành là 10 bar. Hình dưới đây cho thấy một hệ thống nồi hơi ba ống lửa tiêu chuẩn được sử dụng làm mẫu cho thiết kế của nhóm kỹ thuật của chúng tôi.
GVHD: PGS.TS.Đặng Thành Trung BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN KINH TẾ NĂNG LƯỢNG Thiết kế nhiệt động lực học nồi ống lửa Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12, năm 2022 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA BÁO CÁO STT HỌ & TÊN MSSV Nhiệm vụ Đề tài: THIẾT KẾ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA LÒ HƠI ỐNG LỬA Nhận xét giáo viên MỤC LỤC Đề tài: Thiết kế nhiệt động lực học lò ống lửa .2 PHẦN I : MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU MÔ TẢ DỰ ÁN .4 KẾT QUẢ THIẾT KẾ PHẦN II : NỘI DUNG 1.TỔNG QUAN PHÂN LOẠI 3.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG LÒ HƠI ỐNG LỬA HỒI LƯU NGANG 10 4.CÁC YÊU CẦU CỦA LÒ HƠI 10 5.THIẾT KẾ LÒ HƠI CỦA ỐNG LỬA 11 LỰU CHỌN VẬT LIỆU 14 KIỂM TRA VẬT LIỆU .15 MÔ HÌNH TỐN HỌC .16 PHƯƠNG PHÁP CAD .21 10 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ HOẠT ĐỘNG .22 PHẦN III: KẾT LUẬN 27 CÁC KHÍA CẠNH TÀI CHÍNH VÀ MƠI TRƯỜNG: 27 PHẦN I : MỞ ĐẦU Giới thiệu Nồi Firetube thiết kế cho mục đích trao đổi nhiệt quy mơ cơng nghiệp để làm nóng chất lỏng bão hịa vào thể tích điều khiển thành khí bão hịa Thốt khí khỏi thể tích điều khiển bị giảm áp suất quay trở lại áp suất khí Nồi Firetube bao gồm thân tàu hình trụ chứa đầy vật liệu cách nhiệt, loạt ống chứa Khơng khí nóng từ đầu đốt truyền từ lị nung đèo thứ đến loạt ống đèo thứ 2, sau đến loạt ống đèo thứ Cuối cùng, khơng khí nóng ngồi qua ống khói Lị chứa đầy nước lên đến mức cao đèo thứ bơm từ chân lị Hơi nước sau bơm từ đỉnh lò đến nơi cần sưởi ấm Lị chứa van an tồn, áp suất trở nên cao tắc nghẽn nóng, giải phóng nước dư thừa Mô tả dự án Đội ngũ kỹ sư thiết kế nồi ống lửa threepass với công suất 5000 kg áp suất vận hành 10 bar Hình cho thấy hệ thống nồi ba ống lửa tiêu chuẩn sử dụng làm mẫu cho thiết kế nhóm kỹ thuật chúng tơi 2.1 .Dẫn truyền qua đường ống đến nước mô tả phương trình Q = A[(T k.khí − Tw)/(1/hair + t ống/K ống + 1/hw)] Trong : Q = Tốc độ truyền nhiệt tính KW Tair = Nhiệt độ khơng khí tính K Tw = Nhiệt độ nước tính K hair = Độ dẫn nhiệt khơng khí tính KW / m2 * K ttube = Độ dày ống tính m Ktube = Độ dẫn nhiệt thép cacbon tính KW / m2 * K hw = Độ dẫn nhiệt nước tính KW / m2 * K 2.2 Tổng truyền nhiệt tạo lị nung mơ hình hóa theo phương trình Q = (h3 − h2) Trong : Q = Tốc độ truyền nhiệt tính KW = Tốc độ dịng chảy khối lượng tính kg / s h2 = Nước vào nồi 10 bar 20°C h3 = Enthalpy nồi 180°C 2.3 Cơng suất máy bơm mơ hình hóa theo phương trình Q = v(P − P 1) Trong : Q = Cơng suất cần thiết máy bơm KW = Tốc độ dịng chảy khối lượng tính kg / s v = Thể tích nước cụ thể vào bơm (giả định khơng nén được) tính m3 / kg P2 = Bơm thoát áp Kpa P1 = Bơm nhập áp suất KPa Hình 1: Hệ thống nồi ống lửa Threepass 2.4 Các giả định đưa kỹ thuật Nhiệm vụ đưa lời nhắc thiết kế nồi là: ● Tốc độ dòng chảy khối lượng: = 5.000 kg / ● Áp suất nồi vận hành: P = 10 bar 2.5 Các giả định cho thiết kế nồi ● Nhiệt độ hoạt động nồi hơi: T = 179,9 Celcius * ● Thể tích riêng chất lỏng: vf = 1.1273X103 m3 / kg * ● Thể tích chất lỏng cụ thể: vg = 0,1944 m3 / kg * * Tất giả định hậu trình gia nhiệt hỗn hợp hai pha xảy 10 bar Thể tích thể tích cụ thể cho chất lỏng bão hịa chất lỏng bão hịa khơng đổi áp suất cố định Tương tự vậy, áp suất cố định vùng twomixture ngụ ý nhiệt độ cố định (Tsat) ● Đường kính ống = 0,05 m ● Độ dày ống = 0,003 m ● Độ dày vỏ = 0,012 m ● Độ dày lò = 0,016 m ● Chiều dài ống nồi = 5,00 m 2.6 Những giả định đưa theo dẫn lời nhắc dự án thiết kế ● Nhiệt độ lò = Nhiệt độ vượt qua lần = 1200°C ● Nhiệt độ vượt qua lần thứ = 740°C ● Nhiệt độ vượt qua lần thứ = 280°C Nhiệt độ lò đưa lời nhắc dự án thiết kế Các đường chuyền thứ hai thứ ba dựa số độ dẫn điện Kết thiết kế • MaxonMegafire 15M Đầu đốt khí tự nhiên đầu 15.000.000 Btu / giờ, 3949 KW Max đầu yêu cầu khoảng cách đường kính 0,4 m lị • Máy bơm cần công suất 1,26 KW Bơm ly tâm LKH UltraPure10 chọn với cơng suất động 1,5 KW • Điện dung thể tích Van xả cần thiết để chứa 16200 L / phút 11023,1 lb / h nước Apollo Series 119 Phần VIII J lỗ chọn với cơng suất 11034 lb / h • Số lượng ống cho Pass 2: 68 Số lượng ống cho Pass : 70 • Tổng đường kính: 1.2 m Hình 2: sơ đồ lị nung Hình 3: Sơ đồ van an tồn Hình 4: Sơ đồ mặt cắt ngang PHẦN II : NỘI DUNG 1.Tổng quan Nồi thiết bị tốt sử dụng để tạo nước cách cung cấp lượng dạng nhiệt cho nước Nồi thảo luận báo cáo nồi ống lửa loại nồi phổ biến có nhiều đặc tính hữu ích so với loại nồi khác Hệ thống đề xuất báo cáo nồi ống chữa cháy đáp ứng điều kiện đưa tuyên bố vấn đề giá trị nhiệt độ áp suất kích thước ống vỏ Vì vậy, chúng tơi có lị khơng tốt hiệu suất cần thiết mà tiết kiệm thân thiện với môi trường Dự án coi thành công sẵn sàng đưa việc triển khai hệ thống thực tế Nồi - lò (steam boiler) thiết bị sử dụng nhiên liệu (than, củi, trấu, giấy vụn…) để đun sôi nước tạo thành nước mang nhiệt để phục vụ cho yêu cầu nhiệt lĩnh vực công nghiệp Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta tạo nguồn có nhiệt độ áp suất phù hợp để đáp ứng cho yêu cầu khác Để vận chuyển nguồn lượng có nhiệt độ áp suất cao người ta dùng ống chịu nhiệt, chịu áp suất cao chuyên dùng cho nồi (lị hơi) Hình Lị cơng nghiệp Phân loại 2.1 Lò ống nước - Thường sử dụng nhà máy điện lớn - Nước chảy qua ống có lửa bao quanh thành ống - Phù hợp cho loại máy dùng máy nén cao áp Hình Lò ống nước 2.2 Lò ống lửa - Thường sử dụng cho ứng dụng có quy mô nhỏ - Lửa đốt thành ống nước chạy xung quanh thành ống - Ưu điểm nhỏ gọn so với lò ống nước , khơng chiếm nhiều diện tích = Hình Lò ống lửa 3.Nguyên lý hoạt động lò ống lửa hồi lưu ngang - Nhiên liệu (thường than / Khí tự nhiên) bị đốt cháy lị khí dễ cháy di chuyển vào ống lửa, qua ống từ bên đến phía trước trống lị cuối khí vào hộp khói Các khí nóng ống nước truyền nhiệt đến nước qua thành ống Do đó, bong bóng nước lượng nhiệt tạo đến mặt nước Khi lượng tăng lên buồng kín, áp suất bên tăng lên làm tăng đáng kể nhiệt độ sôi nước tốc độ sản xuất nước giảm Bằng cách này, nồi ống lửa tự điều khiển áp suất Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động lò 3.1 Ưu điểm - Nhỏ gọn , dễ dàng lắp đặt di chuyển Chi phí rẻ so với lị ống nước Có thể dễ dàng đáp ứng dao động áp suất nước 3.2 Nhược điểm - Do lượng nước lớn nên thời gian tăng áp suất cần thiết cao Áp suất nước đầu cao nước nước giữ bình Hơi nhận từ nồi ống lửa không khô Trong nồi ống lửa, ln có áp suất cao nên dễ xảy cháy nổ 4.Các yêu cầu lò 4.1 Yêu cầu thiết kế - Khả đáp ứng hiệu cần thiết tiêu chuẩn hiệu suất khác - Khả đáp ứng mức độ chất thải ô nhiễm cần thiết - Phải tuân thủ yêu cầu ban kiểm tra lò - Khả đáp ứng nhu cầu nhận thức khách hang hiệu suất hoạt động , độ tin cậy chi phí bảo trì 10 5.8 Hố tro - Tro tàn sau trình đốt cháy rơi xuống phận tích tụ gọi hố tro Hình 6: Hố thùng tro lò 5.9 Vỉ lò sưởi - Lò sưởi loạt hẹp đặt hộp lửa Tro rơi qua lưới sắt vào hố tro 5.10 Phích cắm dễ chảy - Phích cắm nóng chảy hoạt động tương tự van an tồn, điểm khác biệt trì nhiệt độ chúng tăng giới hạn an toàn Hình 7: phích cắm nóng chảy Lựu chọn vật liệu - Vật liệu kim loại thường sử dụng để sản xuất thành phần lò hơi, chủ yếu carbon thép hợp kim Các thành phần tải căng thẳng, nén, uốn, cắt, chủ yếu tải kết hợp Trong nhiều lò tiếp xúc với nhiệt độ cao làm việc liên tục, việc lựa chọn vật liệu thành phần lị khơng thể thiếu 16 - Thép carbon sử dụng nhiệt độ vận hành lò 250 ℃., nhiệt độ hoạt động thiết kế 180℃ Do đó, vật liệu chọn cho thành phần lò Thép Carbon Tập hợp tính tốn thực để chọn loại carbon cụ thể thép khả thi cho thiết kế Dữ liệu cho Tsteam, out = 184℃ Tflue gases, out = 85℃ Tfeedwater, in = 35℃ Psteam = 10 bars Tfurnace = 1200℃ - Vật liệu thành phần lò lựa chọn dựa liệu cho, mà trì mức cao nhiệt độ áp suất cao • Đường ống - Vật liệu = lò ống thép carbon ASME SA-178 hạng A - Đường kính ngồi = 0,0560 m - Chiều dày ống = 0,003048 m - Đường kính = 0,0500 m - Năng suất, Sy = 179 Mpa • - Thùng Tấm kết cấu carbon cán nguội ASTM A611 hạng E Độ dày = 0,00012m Chiều dài trống = 0,870m Đường kính trống = 0,250 m Sức mạnh suất, Sy = 552 Mpa Kiểm tra vật liệu - Các thùng lò tiếp xúc với nhiệt độ áp suất cao thời gian dài, lý điều quan trọng phải kiểm tra vật liệu chọn Năng suất ống = 179 MPa Năng suất thùng = 552 MPa Tỷ lệ dòng chảy = 552/179 = 3,0833 Hệ số an toàn giả định sản xuất thùng Hệ số an toàn=(Năng suất (Sy))/(ứng suất (σ)) )) σ)) = 552MPa / = 138 MPa Áp suất tối đa bên thùng tác động theo phương thẳng đứng phương ngang Áp suất theo chu vi tính sau: σ)) =Pr/t P = áp suất bên tác động lên thùng t = độ dày thành thân lị r = bán kính thân hình trụ P=((138MPa)(0.00012m))/0.125m=1.3248MPa Áp suất tác dụng theo hướng dọc: σ)) =Pr/2t P=(2(138MPa)(0.00012m))/0.125m=2.6496MPa Áp suất cao mà thùng chịu 2,6496 MPa theo hướng dọc, 1.3248MPa theo chu vi Một hạn chế khác thiết kế lò giữ khoảng áp suất 17 khoảng 0,7 - 2,5 MPa Xem xét, giới hạn áp suất, vận hành áp suất lò chọn MPa (10 bar) Mơ hình tốn học - Thiết kế lị ống lửa pass chọn trình bày sơ đồ (Hình 8) Lị ống lửa bao gồm lị, khơng khí đốt nóng đầu đốt chuyển sang pass thứ vượt qua bao gồm loạt ống Cuối khơng khí nóng chuyển đến loạt ống ( pass thứ 3), từ nơi cuối di chuyển ngồi qua ống khói nhiệt độ 184 ℃ Hình 8: Sơ đồ lò ống lửa pass Dữ liệu cho: Cơng suất lị = 2TPH Áp suất cao nhất, Pmax = 2,5 Mpa Áp suất thấp nhất, Pmin = 0,7 Mpa Áp suất hoạt động = Mpa Nhiệt độ thoát hơi, Thơi nước = 184 ℃ Nhiệt độ nước cấp, Tw = 35 ℃ Nhiệt độ ngăn xếp, khí thải Tkhí thải= 85 ℃ Nhiệt độ lị, Tlị lửa = 1200 ℃ Dữ liệu tính tốn: Lưu lượng khối lượng nước, m= 2000 kg =0.555556 kg/ s 3600 s Áp suất hoạt động = Mpa Để tính tốn nhiệt độ hoạt động, Bảng A-5 (Nước bão hòa - Bảng áp suất) Tsat @ 1MPa = 179,88 ℃ Thể tích riêng chất lỏng bão hịa (Bảng A-5) = 0,001127 m3/Kg Thể tích riêng bão hòa (Bảng A-5) = 0,19436 m3/Kg Nhiệt độ pass 3, T3 = 180 ℃ + 100 ℃ = 280 ℃ nhiệt độ lò+T =740 ℃ nhiệt độ lò+T =970 ℃ Nhiệt độ khơng khí pass 2, Tkk2 ¿ Nhiệt độ pass 2, T2 ¿ 18 Nhiệt độ khơng khí pass 3, Tkk3¿ T +T kk =970 ℃ Sự dẫn nhiệt qua đường ống (pass 3) mô tả phương trình lấy từ phần I lị bình chịu áp ASME: Q ¿ A[ T kk + T w ] t ống + + h kk k ống hnước Trong đó, Q = Tốc độ truyền nhiệt qua ống, KW A = Diện tích ống, m2 Tkk = Nhiệt độ khơng khí K Tw = 180 ℃ hkk = Hệ số dẫn nhiệt khơng khí tính KW/m2*K hnước = Hệ số dẫn nhiệt khơng khí tính KW/m2*K tống = Độ dày ống kống = độ dẫn nhiệt thép cacbon tính KW/m2*K Dẫn nhiệt qua pass T kk −T w ] Q t ống + + h kk k ống hnước Q2 970−180 = =53.2869 kW /m2 A 0.003048 + + 75 48 700 ¿ A[ Dẫn nhiệt qua pass Q ¿ A[ T kk −T w ] t ống + + h kk k ống hnước Q3 510−180 = =22.2591 kW /m2 A 0.003048 + + 75 48 700 10 Nhiệt độ đầu vào lò = Qvào Qvào = ṁ(hhơi nước – hcấp nước) hhơi nước @ 184℃ & 10 bars = 2777.1kJ/kg hcấp nước @ 35℃.= 146.64 kJ/kg ṁ = 0.555556 kg/s Qvào = 1461.366667 kJ/s 11 Q2 + Q3 = Qvào Qvào= 1461.366667 kW Q2 + Q3 = 1461.366667 kW h2, nước @ 970℃ & 10 bars = 4566.44 kJ/kg h3, nước @ 510℃ & 10 bars = 3698.6 kJ/kg hs, nước @ 180℃ & 10 bars = 3501.05 kJ/kg 19 Q2 = ṁ (h2 – hs) = 994.0857 kW Q3 = ṁ (h3 – hs) = 402.1977 kW Q2 = 2.472 Q3 Tỷ số tốc độ dòng nhiệt lần thứ hai với tốc độ dòng nhiệt pass 2,472 Bằng cách sử dụng Excel để tính tốn hồn chỉnh, người ta phân tích 71% Q 29% Q3, cho tỷ lệ gần 2.448 Q2 = 0.71 Qvào Q3 = 0.29 Qvào 12 Q2 = 0.71(1461.366667) = 1037.570 kW Q2 = 53.2869 kW/m2 A2 A2 = 1037.570/53.2869 = 19.47 m2 13 Q3 = 0.29(1461.366667) = 423.796 kW Q3 =22.2591 kW /m2 A3 A2 = 423.796/22.2591= 19.03922 m2 14 Diện tích bề mặt ống tính cách coi ống hình trụ hồn hảo phương trình sử dụng là: Diện tích bề mặt = 2πrh + 2πrrh + 2πrh + 2πrr2 Trong đó, r đường kính ống chia cho 2, tính tốn lựa chọn vật liệu 0,05m Như vậy, bán kính ống = 0,025m h = chiều dài lò hơi, xác định 5m SA = 2πrh + 2πr (0,025) (5) + πrh + 2πr (0,025)2 = 0,787 m2 15.Tính số ống Pass 19 47 =24 72 Tổng số ống = 787 Tổng số ống đoạn 25 ống 16 Tính số ống Pass 3, 19 0322 =24 18 Tống số ống Pass = 787 Tổng số ống đoạn 25 ống 17.Tổng số ống thiết kế lò 50 ống 18.Tỉ lệ khối lượng Tổng khối lượng lò = πrh + 2πrr2h = πrh + 2πr (1.952) (5) = 59.7m3 Khối lượng lò bên = πrh + 2πrr2h = πrh + 2πr (0.475 2) (5) = 3.54m3 Thể tích nơi có nước = 59.7 m3 – 3.54 m3 = 56.16 m3 19.Công suất yêu cầu máy bơm P=ṁv(P2 – P1) Trong đó, P = cơng suất u cầu ( kW) 20