Nghiên cứu tính toán thiết kế bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả sử dụng công chất là dầu truyền nhiệt therminol 55 để phục vụ việc hâm sấy nhiên liệu fo cho tàu pvoil venus

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo TRẦN MINH PHÚC NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ BẦU HÂM TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ SỬ DỤNG CƠNG CHẤT LÀ DẦU TRUYỀN NHIỆT THERMINOL 55 ĐỂ PHỤC VỤ VIỆC HÂM SẤY NHIÊN LIỆU FO CHO TÀU PVOIL VENUS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LƯC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS MTr Lê Hữu Sơn TP HỒ CHÍ MINH, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Trần Minh Phúc Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ công trình khoa học tơi thực hướng dẫn khoa học thầy PGS,TS,MT Lê Hữu Sơn Ngoài nội dung tham khảo tác giả mà liệt kê phần “Các tài liệu tham khảo”, luận văn không chép nội dung khác cơng trình khoa học tương tự Các kết nghiên cứu luận văn chưa cơng bố tài liệu báo khoa học khác Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 04 năm 2018 Tác giả Trần Minh Phúc LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực luận văn thạc sĩ này, với nỗ lực cá nhân tác giả nhận nhiều giúp đỡ nhiệt tình quý báu Tác giả trân trọng tri ân giúp đỡ Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS, TS, MT Lê Hữu Sơn – Giảng viên trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Thầy hướng dẫn cung cấp cho nhiều kiến thức chuyên môn, tài liệu chuyên ngành quý báu suốt thời gian thực đề tài Thầy người hướng dẫn tận tình tâm huyết q trình thực hiên cơng trình nghiên cứu đưa ý kiến góp ý giúp tơi hồn tất luận văn Đồng thời, tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy, cô, đồng nghiệp bạn bè khoa Máy tàu thủy nói riêng thầy trường Đại học Giao thơng vận tải TPHCM nói chung truyền đạt cho kiến thức chuyên môn bổ ích q trình tơi học làm việc trường Cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Máy tàu thủy giúp đỡ tạo điều kiện thời gian cơng việc để tơi hồn thành luận văn Cám ơn quan tâm, hỗ trợ động viên gia đình bạn bè giúp tơi có động lực hồn thành cơng việc nghiên cứu luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 04 năm 2018 Tác giả Trần Minh Phúc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 11 Chương : TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ 12 1.1 Quá trình phát triển cải tiến thiết bị tận dụng nhiệt khí xả: 12 1.1.1 Nồi khí xả 12 1.1.2 Tuabin khí xả 14 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài giới nước 16 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài giới: 16 1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài nước 16 Chương : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 19 2.1 Cơ sở lý thuyết thiết bị hâm dầu đốt tận dụng khí xả động Diesel máy 19 2.1.1 Hâm dầu điện trở sấy 19 2.1.2 Hâm dầu nước 19 2.1.3 Hâm dầu nồi phụ sử dụng công chất dầu 21 2.2 Tính nghiệm nhiệt hệ thống Diesel tàu thủy 22 2.2.1 Giới thiệu chung động máy tàu PV OIL VENUS 22 2.2.2 Chọn thông số ban đầu: 23 2.2.3 Quá trình nạp 24 2.2.4 Quá trình nén 25 2.2.5 Quá trình cháy 26 2.2.6 Quá trình giãn nở 28 2.2.7 Các thông số đặc trưng 29 2.2.8 Lượng khí xả khỏi động 𝐺𝑘𝑥(𝑘𝑔/𝑠) 31 2.3 Lý thuyết truyền nhiệt 31 2.3.1 Dẫn nhiệt ổn định 31 2.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 41 2.4 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt 49 2.4.1 Định nghĩa 49 2.4.2 Các phương trình tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt 50 2.4.3 Tính truyền nhiệt qua vách phẳng 50 2.4.4 Tính truyền nhiệt qua vách trụ 52 Chương :NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN THIẾT KẾ BẦU HÂM TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ SỬ DỤNG CƠNG CHẤT LÀ DẦU TRUYỀN NHIỆT THERMINOL 55 ĐỂ PHỤC VỤ CHO VIỆC HÂM SẤY NHIÊN LIỆU FO CHO TÀU PVOIL VENUS 55 3.1 Tìm hiểu đặc tính dầu Therminol 55 dùng làm cơng chất cho bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả 55 3.1.1 Đặc tính dầu Therminol 55 55 3.1.2 So sánh đặc tính dầu Therminol 55 với công chất nước dầu khoáng dẫn nhiệt khác 60 3.2 Tính lượng nhiệt cần để hâm sấy nhiên liệu FO tàu PVOIL Venus 61 3.2.1 Tính lượng nhiệt tổn thất két chứa dầu đốt FO 62 3.2.2 Tính lượng nhiệt để hâm dầu đốt két bầu hâm ( Qh ) 66 3.3 Chọn sơ đồ hệ thống bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả sử dụng cơng chất dầu cho việc hâm sấy nhiên liệu FO tàu PVOIL Venus 70 3.3.1 Bơm tuần hoàn 70 3.3.2 Bầu nhận nhiệt khí xả 71 3.3.3 Bầu hâm dầu đốt 72 3.3.4 Bình tách khí 72 3.3.5 Sinh hàn dầu thừa 72 3.3.6 Nguyên lý làm việc hệ thống 72 3.4 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt cho hệ thống hâm dầu đốt tàu PVOIL Venus 73 3.4.1 Bầu nhận nhiệt khí xả 73 3.4.2 Tính toán, thiết kế bầu hâm dầu đốt 83 3.4.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống hâm két trực nhật 89 3.4.4 Tính tốn, thiết kế hệ thống hâm két lắng 92 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký Tên gọi Thứ ngun hiệu ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích kg/(kW.h) gi Suất tiêu hao nhiên liệu thị kg/(kW.h) Gn Lượng nhiên liệu cấp cho động kg/h 𝑄𝐻𝑃 Nhiệt trị thấp nhiên liệu kJ/kg L0 Lượng khơng khí lý thuyết kmol/kg L Lượng khơng khí thực tế kmol/kg Md Mơ men động N.m Mc Mơ men cản phụ tải N.m n Vịng quay động v/ph Ne Cơng suất có ích kW Ni Công suất thị kW NeH Công suất định mức kW s Hệ số tổn thất hành trình Cm Tốc độ trung bình piston  Hệ số dư lượng khơng khí r Hệ số khí sót n Hệ số nạp o Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết  Hệ số thay đổi phân tử thực tế  Hệ số sử dụng nhiệt Qh Nhiệt lượng hâm dầu kW Qt Nhiệt lượng tổn thất kW m/s Qg Nhiệt lượng tỏa khí xả động t fo Nhiệt độ trung bình dầu đốt tho Nhiệt độ trung bình dầu truyền nhiệt bầu hâm t go Nhiệt độ trung bình dầu truyền nhiệt bầu nhận kW C C C nhiệt khí xả Pa Áp suất cuối q trình nạp kG/cm2 Pk Áp suất khơng khí sau nén kG/cm2 Pc Áp suất cuối trình nén kG/cm2 Pz Áp suất cháy cực đại kG/cm2 Pb Áp suất cuối trình giãn nở kG/cm2 Tk Nhiệt độ khơng khí sau nén K Tr Nhiệt độ khí sót K Ta Nhiệt độ cuối trình nạp K Tc Nhiệt độ cuối trình nén K 𝑡 Tỉ số nén thực tế động Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp kJ/kg.độ Cv Nhiệt dung riêng đẳng tích kJ/kg.độ n Chỉ số nén đa biến d Đường kính i Entanpi kJ/kg s Entrolpi kJ/kg.độ E Khả xạ bán cầu W/m2 Eλ Khả xạ đơn sắc W/m3 F Diện tích k Hệ số truyền nhiệt l Độ dài q Mật độ dòng nhiệt m m2 W/m2.K m W/m2 S Bước ống v Thể tích riêng m3/kg Lưu lượng khối lượng Kg/s G, m 𝛿 Chiều dày ω Tốc độ  qd Độ đen quy dẫn k Độ đen khói w Độ đen vách 𝜌 Khối lượng riêng λ Hệ số dẫn nhiệt υ Độ nhớt động học 𝜇 Độ nhớt động lực học m m m/s kg/m3 W/m.độ m2/s Ns/m2  fo Hệ số tỏa nhiệt dầu nặng FO W/m2.K  ho Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt HO W/m2.K b Hệ số tỏa nhiệt xạ khí xả W/m2.K d Hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí xả W/m2.K t Chênh lệch nhiệt độ bình quân logarit  Thời gian Gradt giây Gradient nhiệt độ Gr Tiêu chuẩn Grashof Nu Tiêu chuẩn Nusselt Pr Tiêu chuẩn Prandtl Re Tiêu chuẩn Reynolds K DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1-1: Kết cấu số loại nồi khí xả thường dùng cho tàu biển 13 Hình 1-2: Động diesel tăng áp tua bin khí máy nén 15 Hình 1-3: Nồi tận dụng nhiệt khí xả động diesel tàu thuỷ kiểu moduyn 17 Hình 2-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nồi liên hiệp phụ khí xả 20 Hình 2-2 Hâm dầu nồi phụ sử dụng cơng chất dầu 21 Hình 2-3:Xác định Gradien nhiệt độ 33 Hình 2-4: Dẫn nhiệt qua vách phẳng lớp 34 Hình 2-5: Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 36 Hình 2-6: Dẫn nhiệt qua vách trụ lớp 38 Hình 2-7:Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 40 Hình 2-8:Cách bố trí chùm ống song song 47 Hình 2-9:Cách bố trí chùm ống so le 48 Hình 2-10: Truyền nhiệt qua vách phẳng lớp 51 Hình 2-11: Truyền nhiệt qua vách trụ 53 Hình 3-1: Sơ đồ thiết kế hệ thống hâm dầu đốt tận dụng nhiệt khí xả động 71 Hình 3-2: Giản đồ xác định độ đen khí CO2 79 Hình 3-3: Giản đồ xác định độ đen khí H 2O 80 Hình 3-4: Kết cấu bầu nhận nhiệt khí xả 83 Hình 3-5: bầu hâm dầu đốt 89 Từ liệu toán ta chọn bầu hâm dầu dạng vỏ bọc chùm ống nằm ngang, Các ống bố trí sole làm đồng thau khơng có cánh ngồi, có đường kính d2/d1 = 14/12 mm có hệ số dẫn nhiệt là: 100 (W/m.K): Tra bảng hệ số dẫn nhiệt số hợp kim thông dụng Sơ dự kiến bầu hâm có N = hành trình (2 pass) hành trình có m = 40 ống, số ống tổng cộng n = N.m = 80 ống Bầu hâm có z = chắn nhằm mục đích tăng độ lưu động dầu đốt bầu hâm để tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Mỗi che hết 2/3 diện tích mặt cắt ngang bầu hâm Theo hướng dầu FO nhận nhiệt có 10 dãy ống, bước dọc S1 = 32 mm, bước ngang S2 = 28 mm 1.8.2.2 Hệ số tỏa nhiệt dầu đốt Như ta biết tốc độ dòng chảy lớn hệ số tỏa nhiệt hệ số truyền nhiệt tăng Tuy nhiên, làm tăng trở kháng thủy lực cơng tiêu hao cho bơm Hệ thống có bơm cấp dầu đốt với lưu lượng ( m3 / h ) = 0,5 (kg/s) Vì dầu đốt phía ngồi ống bầu hâm nên đường kính vỏ bầu hâm: D  1,1.s n   = 0,6 hệ số điền dầy ống mặt sàng nên ta có: 80  355(mm) 0, D  1,1.28 Do có chắn nên ta có tốc độ dịng chảy tính theo công thức:  fo  G fo f  fo G fo  ( D  80 d o ) . fo Ở nhiệt độ trung bình t fo   0,5  0, 02(m/ s)  0,355  0, 0142 (  80 ) .930 4 t fov  t for 2  80  110  95 oC tra bảng thông số vật lý dầu, sử dụng tốn đồ ta tìm độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt dùng phương pháp nội suy ta có: 84 + Khối lượng riêng 𝜌 = 935 kg/m3 + Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝𝑓𝑜 = 2,68 (kJ/kg độ) + Hệ số dẫn nhiệt 𝜆𝑓𝑜 = 0,13(W/m.độ) + Độ nhớt động học 𝜈𝑓𝑜 = 26.10-6 (m2/s) + Trị số prantl Pr = 252,5 Khi ta có: 𝑅𝑒𝑓𝑜 = 𝜔 𝑑 0,02.0,355 = = 273 < 103 𝑣 26 10−6 Kết ta thấy dầu chảy qua bầu hâm có tính chất chảy tầng Lựa chọn nhiệt độ vách ống (tw1): Vì vách kim loại mỏng hai phía vách ống chất lỏng nên ta chọn nhiệt độ vách bằng: 𝑡𝑤1 = ̅ + 𝑡ℎ𝑜 ̅ 𝑡𝑓𝑜 95 + 173 = = 134 2 (0C) Tại nhiệt độ 𝑡𝑤1 =134 0C, tra bảng thông số vật lý dầu đốt dùng phương pháp nội suy ta tìm thơng số sau: + Khối lượng riêng 𝜌 = 910 kg/m3 + Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝ℎ𝑜 = 2,84 (kJ/kg độ) + Hệ số dẫn nhiệt λ = 0,1022 (W/m.độ) + Độ nhớt động học υ = 7,1.10-6 (m2/s) + Trị số prantl Pr = 172,45 Với kết cấu chùm ống bố trí sole, ta áp dụng công thức 2.65: 𝑁𝑢𝑓𝑜 = 0,25 0,5 0,36 𝑃𝑟𝑓𝑜 ) 0,56 𝑅𝑒𝑓𝑜 𝑃𝑟𝑓𝑜 ( 𝑃𝑟𝑤 0,5 = 0,56 273 252,5 0,36 85 ( 252,5 0,25 ) = 72,3 172,45 𝛼𝑓𝑜 = 𝑁𝑢𝑓𝑜 𝜆 0,132 = 72,3 = 80,7 𝑑 0,355 (W/m2.độ) Chùm ống có 10 dãy ống, dầu chảy cắt qua vng góc với cụm ống, số ống mà dầu qua 20 dãy nên hệ số tỏa nhiệt trung bình chùm ống tính: 𝛼̅𝑓𝑜 = 0,6 𝛼 + 0,7 𝛼 + (10 − 2) 𝛼 = 0,93 𝛼𝑓𝑜 = 75 10 (W/m2.độ) 1.8.2.3 Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt Với giả thiết ban đầu đầu đốt FO bên cắt ngang ống nhỏ có nhiệt độ đầu vào khỏi bầu hâm 𝑡𝑓𝑜1 /𝑡𝑓𝑜2 = 800C/1100C, dầu truyền nhiệt bên ống có nhiệt độ đầu vào bầu hâm dầu tho1/tho2 = 180/1650C Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit t  t1  t2 (180  80)  (165  110)   75 0C t1 180  80 ln( ) ln 165  110 t2 Nhiệt độ trung bình dầu truyền nhiệt bầu hâm là: tho  thov  thor 180  165   173 0C 2 Với nhiệt độ tho = 173 0C tra bảng 3.2 thông số vật lý dầu truyền nhiệt Therminol 55 ta có: + Khối lượng riêng 𝜌 = 834 kg/m3 + Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝ℎ𝑜 = 2,15 (𝑘𝐽/𝑘𝑔 độ) + Độ dẫn nhiệt λ =0,122 (W/m.độ) + Độ nhớt động học 𝑣 = 1,3.10-6 (m2/s) Dựa vào công thức tính ta tìm Prho = 38,43 86 Lưu lượng dầu truyền nhiệt (giả thuyết bầu hâm dầu bọc cách nhiệt tốt nên bỏ qua tổn thất nhiệt qua vỏ bầu với khơng khí xung quanh): Qh3  Qho  Gho cho  t ho  33,5(kW ) Gho  Qho 33,5   1(kg / s) cho (t hov  thor ) 2,15.(180  165) Tốc độ chuyển động ống thường chọn phạm vi định để đảm bảo truyền nhiệt công suất tiêu hao cho bơm không lớn Do dầu có độ nhớt lớn nên thơng thường chọn tốc độ dầu ống khoảng từ 0,1 m/s đến m/s Sơ ta chọn số ống pass 40 nên tốc độ tương ứng là: 𝜔ℎ𝑜 = Ġho = 𝜌 𝑓 = 0,28 𝜋 0,0122 790.40 (m/s) Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt với bề mặt ống Tương ứng với tốc độ 𝜔ℎ𝑜 ta có trị số Reho là: 𝑅𝑒ℎ𝑜 = 𝜔.𝑑 𝜗 = 0,28.0,012 1,3.10−6 = 2185 < 2300 Vậy dầu truyền nhiệt chảy ống chế độ chảy tầng Theo công thức (2.62) hệ số Nusselt dầu truyền nhiệt xác định sau: 𝑁𝑢ℎ𝑜 = 0,25 0,33 0,43 𝑃𝑟ℎ𝑜 ) 0,15 𝑅𝑒ℎ𝑜 𝑃𝑟ℎ𝑜 ( 𝑃𝑟𝑤 Do thành vách ống mỏng nên chênh lệch nhiệt độ thành vách bên bên ngồi khơng đáng kể nên: tw2 = tw1 = 1340C Tại giá trị ta có Prw2 = 56,5 Với giá trị gần đúng, ta có: 𝑁𝑢ℎ𝑜 = 0,15 2185 0,33 38,43 87 0,43 38,43 0,25 ) ( = 8,24 56,5 Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt chảy ống với bề mặt ống khơng bám bẩn chất lỏng khơng có ảnh hưởng xạ nhiệt 𝛼ℎ𝑜 = 𝑁𝑢ℎ𝑜 𝜆 0,122 = 8,24 = 83,8 𝑑 0,012 (W/m.độ) 1.8.2.4 Hệ số truyền nhiệt Ở d 14   1,17  1, nên tính hệ số truyền nhiệt giống với vách d1 12 phẳng với chiều dày vách   (d  d1 )  0,5.(14  12)  1mm  0, 001m Vậy hệ số truyền nhiệt bầu hâm dầu đốt k4      fo   ho   41,1(W / m K) 0, 001   80, 100 83,8 1.8.2.5 Diện tích truyền nhiệt F Theo cơng thức (2.76) ta có: 𝑄 33,5 103 𝐹= = = 3,8 (m2) ̅̅̅ 3.14.41,1.75 𝜋𝑘Δ𝑡 Tổng số ống 80 ống nên chiều dài ống là: 𝐿= 𝐹 3,8 = = 1,2 (𝑚) 𝜋 𝑑𝑚 𝑛 3,14.0,013.80 1.8.2.6 Kích thước thiết kế bầu hâm dầu xác định  Chiều dài ống 1,2 m  Diện tích truyền nhiệt 3,8 m  Số hành trình: pass  Tổng số ống: 80  Đường kính ống 14/12 mm 88  Vật liệu làm ống hợp kim đồng (60%Cu, 40%Zn) FO HO D = 0,355 m HO FO 28 32 L =1,2m Hình 0-5: bầu hâm dầu đốt 1: nắp bầu, 2: vỏ bầu hâm, 3: ống, 4: chắn, 5: vách ngăn 1.8.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống hâm két trực nhật Hệ thống hâm cho két ta chọn hệ thống trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn đường ống thép đúc có đường kính d2 / d1  60 / 53(mm) , dầu truyền nhiệt bên ống tỏa nhiệt để hâm nóng dầu FO két từ nhiệt độ 70 0C đến 90 0C Vậy ta coi nhiệt độ trung bình dầu FO két trực nhật 80 0C , tra bảng thông số vật lý dầu FO nhiệt độ mục 3.2.2 Dầu truyền nhiệt vào két có nhiệt độ 180 0C khỏi két có nhiệt độ 165 0C , nhiệt độ trung bình dầu truyền nhiệt 173 0C , thông số vật lý dầu truyền nhiệt nhiệt độ tra theo bảng 3.2 giống với mục 3.4.1.2 89 Để tính tốn cho hệ thống ta sử dụng phương trình cân ta thấy nhiệt dầu truyền nhiệt Qho1 tỏa nhiệt truyền từ dầu truyền nhiệt truyền qua vách ống Qk1 nhiệt dầu FO két trực nhật nhận Qh1 cộng với nhiệt tổn thất qua vách két trực nhật Qt1 nên ta có phương trình Qho1  Qk1  Qh1  Qt1 (3.11) mho (i180  i165 )  k1.F t  Qh1  Qt1 Trong đó: mho lưu lượng dầu truyền nhiệt chảy ống (kg/s) i180 ,i165 : Entanpi dầu truyền nhiệt 180 0C 165 0C (kJ/kg) k1 : hệ số truyền nhiệt qua vách (W/m2.K) F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2) t : nhiệt độ trung bình logarit 1.8.3.1 Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu dầu truyền nhiệt Tra bảng 3.2 thông số vật lý dầu truyền nhiệt ta có: i180  195(kJ / kg );i165  171(kJ / kg ) Theo phương trình 3.11 ta có: mho  Qh1  Qt1 33, 63  0, 45   1, 42(kg / s) i180  i165 195  171 Tốc độ dầu truyền nhiệt chảy ống: ho  mho 1, 42   0, 77(m / s)  d1  0, 0532 834 ho 4 Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt với bề mặt ống Tương ứng với tốc độ 𝜔ℎ𝑜2 ta có trị số Reho2 là: 𝑅𝑒ℎ𝑜2 = 𝜔.𝑑 𝜗 = 0,77.0,053 1,3.10−6 = 31392 > 104 Vậy dầu truyền nhiệt chảy ống chế độ chảy rối 90 Theo công thức (2.61) hệ số Nusselt dầu truyền nhiệt xác định sau: 𝑁𝑢ℎ𝑜 = 0,25 0,8 0,43 𝑃𝑟ℎ𝑜 ) 0,021 𝑅𝑒ℎ𝑜 𝑃𝑟ℎ𝑜 ( 𝑃𝑟𝑤 Do thành vách ống mỏng nên chênh lệch nhiệt độ thành vách bên bên ngồi khơng đáng kể nên: tw2 = tw1 = 1340C Tại giá trị ta có Prw2 = 56,5 Với giá trị gần đúng, ta có: 0,8 𝑁𝑢ℎ𝑜2 = 0,021 31392 38,43 0,43 38,43 0,25 ) ( = 362,4 56,5 Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt chảy ống với bề mặt ống không bám bẩn chất lỏng ảnh hưởng xạ nhiệt 𝛼ℎ𝑜2 = 𝑁𝑢ℎ𝑜2 𝜆 0,122 = 362,4 = 834,3 𝑑 0,053 (W/m2.độ) 1.8.3.2 Tính hệ số truyền nhiệt Ở d 60   1,13  1, nên tính hệ số truyền nhiệt giống với vách d1 53 phẳng với chiều dày vách   (d  d1 )  0,5.(60  53)  3,5mm  0, 0035m Vậy hệ số truyền nhiệt bầu hâm dầu đốt k1  1  fo1      ho   234(W / m K) 0, 0035   350 16 834,3 1.8.3.3 Diện tích truyền nhiệt F ống hâm dầu két trực nhật Với giả thiết ban đầu đầu đốt FO bên ngồi cắt ngang ống nhỏ có nhiệt độ trước đạt két trực nhật 𝑡𝑓𝑜1 /𝑡𝑓𝑜2 = 700C/900C, dầu truyền nhiệt bên 91 ống có nhiệt độ đầu vào két trực nhật tho1/tho2 = 180/1650C Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit t  t1  t2 (180  70)  (165  90)   91, 0C t1 180  70 ln( ) ln 165  90 t2 Theo cơng thức (2.76) ta có: 𝑄ℎ1 + 𝑄𝑡1 34,05 103 𝐹= = = 1,6 (m2) ̅̅̅ 234.91,4 𝑘Δ𝑡 Chiều dài ống hâm két trực nhật là: 𝐿= 𝐹 1,6 = = (𝑚) 𝜋 𝑑𝑚 3,14.0,0565 1.8.4 Tính tốn, thiết kế hệ thống hâm két lắng Tính tương tự két trực nhật nên ta chọn hệ thống trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn đường ống thép đúc có đường kính d2 / d1  60 / 53(mm) , dầu truyền nhiệt bên ống tỏa nhiệt để hâm nóng dầu FO két từ nhiệt độ 60 0C đến 80 0C Vậy ta coi nhiệt độ trung bình dầu FO két lắng 70 0C , tra bảng thông số vật lý dầu FO nhiệt độ ta có: + Khối lượng riêng 𝜌 = 945 kg/m3 + Nhiệt dung riêng 𝑐𝑝𝑓𝑜 = 2,685 (kJ/kg độ) + Hệ số dẫn nhiệt 𝜆𝑓𝑜 = 0,13(W/m.độ) + Độ nhớt động học 𝜈𝑓𝑜 = 27.10-6 (m2/s) + Trị số prantl Pr = 252 Dầu truyền nhiệt vào két có nhiệt độ 180 0C khỏi két có nhiệt độ 165 C , nhiệt độ trung bình dầu truyền nhiệt 173 0C , thơng số vật lý dầu truyền nhiệt nhiệt độ tra theo bảng 3.2 giống với mục 3.4.1.2 92 Để tính tốn cho hệ thống ta sử dụng phương trình cân ta thấy nhiệt dầu truyền nhiệt Qho tỏa nhiệt truyền từ dầu truyền nhiệt truyền qua vách ống Qk nhiệt dầu FO két lắng nhận Qh cộng với nhiệt tổn thất qua vách két lắng Qt nên ta có phương trình Qho2  Qk  Qh2  Qt mho3 (i180  i165 )  k2 F t  Qh  Qt Trong đó: mho3 lưu lượng dầu truyền nhiệt chảy ống (kg/s) i180 ,i165 : Entanpi dầu truyền nhiệt 180 0C 165 0C (kJ/kg) k : hệ số truyền nhiệt qua vách (W/m2.K) F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2) t : nhiệt độ trung bình logarit 1.8.4.1 Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu dầu truyền nhiệt Tra bảng 3.2 thông số vật lý dầu truyền nhiệt ta có: i180  195(kJ / kg );i165  171(kJ / kg ) Theo phương trình 3.11 ta có: mho3  Qh  Qt 35,8  0, 48   1,51(kg / s) i180  i160 195  171 Tốc độ dầu truyền nhiệt chảy ống: ho3  mho3 1,51   0,83(m / s)  d1  0, 0532 834 ho 4 Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt với bề mặt ống Tương ứng với tốc độ 𝜔ℎ𝑜3 ta có trị số Reho3 là: 𝑅𝑒ℎ𝑜3 = 𝜔.𝑑 𝜗 = 0,83.0,053 1,3.10−6 = 33665 > 104 Vậy dầu truyền nhiệt chảy ống chế độ chảy rối 93 Theo công thức (2.61) hệ số Nusselt dầu truyền nhiệt xác định sau: 𝑁𝑢ℎ𝑜 = 0,25 0,8 0,43 𝑃𝑟ℎ𝑜 ) 0,021 𝑅𝑒ℎ𝑜 𝑃𝑟ℎ𝑜 ( 𝑃𝑟𝑤 Do thành vách ống mỏng nên chênh lệch nhiệt độ thành vách bên bên ngồi khơng đáng kể nên: tw2 = tw1 = 1300C Tại giá trị ta có Prw2 = 56,5 Với giá trị gần đúng, ta có: 0,8 𝑁𝑢ℎ𝑜3 = 0,021 33665 38,43 0,43 38,43 0,25 ) ( = 383,3 56,5 Hệ số tỏa nhiệt dầu truyền nhiệt chảy ống với bề mặt ống không bám bẩn chất lỏng khơng có ảnh hưởng xạ nhiệt 𝛼ℎ𝑜3 = 𝑁𝑢ℎ𝑜3 𝜆 0,122 = 383,3 = 882,3 𝑑 0,053 (W/m.độ) 1.8.4.2 Tính hệ số truyền nhiệt Ở d 60   1,13  1, nên tính hệ số truyền nhiệt giống với vách d1 53 phẳng với chiều dày vách   (d  d1 )  0,5.(60  53)  3,5mm  0, 0035m Vậy hệ số truyền nhiệt bầu hâm dầu đốt k2  1  fo1      ho3   237, 6(W / m K) 0, 0035   350 16 882,3 94 1.8.4.3 Diện tích truyền nhiệt F ống hâm dầu két lắng Với giả thiết ban đầu đầu đốt FO bên ngồi cắt ngang ống nhỏ có nhiệt độ trước đạt lắng 𝑡𝑓𝑜1 /𝑡𝑓𝑜2 = 600C/800C, dầu truyền nhiệt bên ống có nhiệt độ đầu vào két lắng tho1/tho2 = 180/1650C Vậy độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit t  t1  t2 (180  60)  (165  80)   101,5 0C t 180  60 ln( ) ln 165  80 t2 Theo cơng thức (2.76) ta có: 𝑄ℎ2 + 𝑄𝑡2 36,28 103 𝐹= = = 1,5 (m2) ̅̅̅ 237,6.101,5 𝑘Δ𝑡 Chiều dài ống hâm két lắng là: 𝐿= 𝐹 1,5 = = 8,5 (𝑚) 𝜋 𝑑𝑚 3,14.0,0565 95 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Đề tài: “Nghiên cứu, tính tốn thiết kế bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả sử dụng công chất dầu truyền nhiệt Therminol 55 để phục vụ việc hâm sấy nhiên liệu FO cho tàu PVOIL VENUS” thu kết sau: Xây dựng mơ hình hệ thống tận dụng nhiệt khí xả để hâm sấy dầu đốt Xây dựng thành cơng sở lý thuyết tính tốn thiết kế thiết bị hâm sấy dầu đốt tận dụng nhiệt khí thải động diesel tàu thủy Kết đề tài sử dụng làm sở để tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt khí xả động diesel tàu thủy Hướng phát triển Đề tài dừng lại mức độ nghiên cứu tính tốn phần lý thuyết Trong tương lai điều kiện cho phép tác giả hướng tới thiết kế hệ thống lắp cho tàu thủy đóng Việt Nam Đề tài cịn có hướng phát triển thiết kế toàn hệ thống hâm như: nồi phụ, nồi kinh tế hay nồi liên hiệp phụ, khí xả tàu cơng chất dầu truyền nhiệt để loại bỏ hồn tồn cơng chất nước cho tàu thủy ưu điểm dầu truyền nhiệt lớn so với nước phần nhiệt lẫn phần an toàn vận hành, khai thác 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Bốn, giáo trình thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất giáo dục [2] TS Nguyễn Trung Cương, PGS.TS Lương Công Nhớ (2010), Động Diesel tàu thủy, Nhà xuất Giao thông vận tải [3] PGS.TS Phạm Lê Dần – PGS.TS Bùi Hải (2005), Nhiệt động kỹ thuật, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] PGS.TS Phạm Lê Dần – GS.TSKH Đặng Quốc Phú (2009), Cơ sở kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất giáo dục [5] TS Lê Viết Lượng (2000), Lý thuyết động Diesel, Nhà xuất giáo dục [6] Hồ Trần Anh Ngọc, Hoàng Dương Hùng (2010), Thiết kế hệ thống sấy dầu FO dùng cho nồi thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống sử dụng lượng mặt trời, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học Đà Nẵng số (39) [7] Iu.Ia Phomin, Trần Hữu Nghị (1990), Xác định công suất động diesel tàu thủy, Nhà xuất Giao thông vận tải [8] PGS.TS Lê Xuân Ôn (1997), Tính chất vật lý nhiệt động công chất, Đại học Hàng hải Việt Nam [9] KS.MTr Nguyễn Hồng Phúc, KS.MTr Nguyễn Đại An, KS Đàm Cao Vân (1996), Hệ động lực nước, Đại học Hàng hải Việt Nam [10] PGS.TS Lê Hữu Sơn (2017), Kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất Giao thông vận tải [11] PGS.TS Trần Thế Sơn – PGS.TS Bùi Hải (2001), Bài tập nhiệt động, truyền nhiệt kỹ thuật lạnh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [12] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động đốt trong, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [13] Hồng Đình Tín (2007), Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, nhà xuất khoa học kỹ thuật [14] PGS TS Hoàng Tùng, PGS TS Phạm Minh Phương, TS Bùi Văn Hạnh (2007), Vật liệu xử lý nhiệt chế tạo máy, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [15] Tiêu chuẩn sở TCCS04:2009/Petrolimex, Bộ Công thương, Hà Nội 2009 97 [16] Frank G Kerry (2006), Handbook gas separaton and purification, Taylor and Francis Group [17] John B Woodward (1988), low speed marine diesel, Robert E Krieger Publishing company Florida USA [18] John B Woodward (1998) Internal combustion engine fundamentals, McGraw – Hill Book company [19] John H Lienhard IV (2006), A heat transfer textbox, University of Houston [20] Kees Kuiken (2008), Diesel Engines, Target Global Energy Training [21] Mitsubishi Selfjector instruction manual, Mitsubishi Kakoko Kaisha., Ltd Tokyo Japan [22] Zeszyty Naukowe (2010), The analysis of thermal-oil heating systems with exhaust gas heaters on motor ships, Maritime University of Szczecin 98