Thiết kế hệ thống cung cấp Nhiệt cho một cụm công nghiệp

Năng lượng nhiệt là loại năng lượng được loài người sử dụng từ rất sớm.

Đề tài đồ án môn học

hệ thống cung cấp nhiệt

Họ và tên sinh viên: Đặng Hồng Chuyên.

Lớp: Máy và thiết bị Nhiệt lạnh 02_K50

Nội dung đồ án môn học:

Thiết kế hệ thống cung cấp Nhiệt

cho một cụm công nghiệp

Với các thông số sau:

 Nhà máy đường : 55 tấn/ngày

 Nhà máy rượu : 55 tấn/ ngày

 Nhà máy sợi : 55 tấn/ ngày

Các yêu cầu thực hiện:

 Xác định nhu cầu cung cấp nhiệt của hệ thống

 Xác định phụ tải nhiệt

 Chọn nguồn cung cấp nhiệt

 Lập sơ đồ hệ thống cung cấp nhiệt

 Tính toán bù giãn nở nhiệt

 Tính toán thuỷ lực mạng nhiệt

 Tính cách nhiệt đường ống

Ngày giao đồ án: 16 tháng 02 năm 2009

Ngày hoàn thành: 15 tháng 05 năm 2009

Lời nói đầu

Năng lượng nhiệt là loại năng lượng được loài người sử dụng từ rất sớm Năng lượng nhiệt được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp Nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt là lớn nhất trong các nhu cầu năng lượng của con người Việc sử dụng năng lượng nhiệt có thể phân ra thành hai nhóm chính: Sử dụng riêng lẻ trong các hộ dân cư và sử dụng tập trung cả khu dân cư, nhà hàng khách sạn, xí nghiệp công nghiệp và các khu công nghiệp Việc sử dụng năng lượng nhiệt tập trung đã hình thành các hệ thống cung cấp nhiệt Để cung cấp nhiệt một cách hiệu quả nhất trong các hệ thống cung cấp nhiệt, cần nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này

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 nhiẹt 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 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 một cụm công nghiệp nhẹ gồm nhà máy sản xuất đường, sản xuất rượu và nhà máy sản xuất sợi

Do kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này chắc chắn không tránh khỏi nhưng sai sót, rất mong thầy hướng dẫn sẽ chỉ bảo cho em làm đạt được kết quả tốt nhất và

đúng tiến độ đã đặt ra Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Hoàng Văn Chước đã hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên:

Đặng Hồng Chuyên

Hà nội, tháng năm 2009

Chương 1

Xác định nhu cầu tiêu thụ nhiệt của hệ thống

Và Chọn nguồn cung cấp nhiệt

ở đây ta cần phải cung cấp nhiệt cho 3 xí nghiệp:

 Sản xuất đường: 55 tấn/ngày áp suất hơi công nghệ: 3,0at

 Sản xuất rượu: 55 tấn/ngày áp suất hơi công nghệ: 2,5at

 Sản xuất sợi: 55 tấn/ngày áp suất hơi công nghệ: 23at

Ta chọn hơi cấp cho các xí nghiệp là hơi bão hoà khô Với áp suất vào

khoảng 4at

1.1 Xác định các phụ tải nhiệt:

1.1.1 Xí nghiệp sản xuất đường:



Q G q Trong đó:

G : Công suất của xí nghiệp sản xuất đường G 55 tấn/ngày

q : Suất tiêu hao nhiệt riêng q 11,5 GJ/tấn

G : Công suất của xí nghiệp sản xuất rượu G 55 tấn/ngày

q : Suất tiêu hao nhiệt riêng q 28, 9 GJ/tấn

Thay vào có:

Suất tiêu hao nhiệt là: Q2 55.28,91589,5 GJ/ngày =66,3 GJ/h

Suất tiêu hao hơi:  

G : Công suất của xí nghiệp sản xuất sợi G 55 tấn/ngày

q : Suất tiêu hao nhiệt riêng q 9, 4 GJ/tấn

Thay vào có:

Suất tiêu hao nhiệt là: Q3 55.9, 4517 GJ/ngày =21,55 GJ/h

Suất tiêu hao hơi:  

3

Q 21,55.10

1.1.4 Nhu cầu tiêu thụ nhiệt của cả 3 xí nghiệp:

Nhu cầu tiêu thụ nhiệt của cả 3 xí nghiệp bao gồm nhu cầu về nhiệt, nhu cầu

về hơi của lần lượt từng xí nghiệp

Giả thiết rằng mỗi xí nghiệp khi vận hành đều có tổn thất hơi vào khoảng 5% Do

đó suất tiêu hao hơi cho toàn bộ cụm công nghiệp trên là:

1.2 Chọn nguồn cung cấp nhiệt:

1.2.1 áp suất hơi tại nguồn:

Do có tổn thấp áp suất từ nguồn đến các xí nghiệp tiêu thụ do tổn thất trên

đường ống dẫn hơi nên nguồn cấp hơi cần sản xuất hưoi ra có áp suất cao hơn so với yêu cầu của nơi tiêu thụ

Ta đã chọn áp suất hơi tại các xí nghiệp tiêu thụ là p = 4at Chọn tổng tổn thất áp suất là  p 2at do đó áp suất hơi tại nguồn là: p0 p  p 426at 1.2.2 Nhiệt độ hơi:

Hơi cấp từ nguồn ra là hơi quá nhiệt có độ quá nhiệt  t (3050) C 0

Nhiệt độ của hơi là: t0 ts t

Với t : là nhiệt độ của hơi bão hoà ở áp suất 6at (tra bảng hơi bão hoà ra ta được s

Sơ đồ của trung tâm nhiệt điện:

Chương 2 Sơ đồ cung cấp nhiệt

2.1 Tính toán diện tích:

Trong khuôn khổ của đồ án môn học này ở đây không trình bày quá trình tính toán diện tích cũng như kết cấu của cả khu công nghiệp Giả thiết rằng ta được chủ đầu tư giao cho mặt bằng từ trước và chỉ thực hiện việc bố trí kết cấu của hệ thống đường ống dẫn hơi đến từng xí nghiệp

2.2 Bố trí mặt bằng xí nghiệp:

Nước ngưng từ các xí nghiệp tiêu thụ nhiệt được bơm về bề chứa nước ngưng

đặt dưới đất Từ đây nước ngưng tiếp tục được bơm về bình khử khí, đường dẫn ống nước ngưng song song với đường dẫn hơi và đi sát mặt đất, không cần phải bọc cách nhiệt Nước ngưng từ bình khử khí được tiếp tục bơm trở lại về nồi hơi

3.2 Tính toán bù giãn nở cho các đoạn ống trên đường cấp hơi:

3.2.1 Tính toán bù giãn nở cho đoạn (1)-(5):

Đoạn ống (1)-(5) cấp hơi cho hộ tiêu thụ nhiệt là xí nghiệp sợi

Với suất tiêu hao hơi là: D3 = 10,15 tấn/h Hơi quá nhiệt có áp suất 6at và ở nhiệt

độ 2000C

 Chọn vật liệu làm ống:

Vật liệu làm ống được chọn là thép CT4 có các đặc tính vật lý như sau:

Modul đàn hồi: E18,15.10 6ứng suất bền:  b 130 N/mm 2

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1 Chiều dài ống: L1 5 1500 m

 Tính toán:

Ta có độ giãn dài của ống khi dẫn hơi là: L1 5  t.L1 5 (tt ) Trong đó: 0

t : Nhiệt độ cao nhất của hơi(theo kinh nghiệm, theo sự giảm nhiệt độ theo chiều dài mỗi mét ống, nhiệt độ trung bình giữa nơi cấp và nơi tiêu thụ nhiệt.) Để

đảm bảo an toàn ta lấy nhiệt độ của ống là nhiệt độ của hơi là 2000C

t0 : Nhiệt độ ống lúc lặp đặt Chọn t0 20 C0 là nhiệt độ môi trường

Do vậy: L1 5 1,2.10 1500.(2005 20)3,24 m=324 cm

Chọn các phần tử bù kiểu trượt, để bù cho sự giãn nở ra của ống ở đoạn (1)-(5) sự giãn nở của ống chỉ xảy ra theo phương dọc trục của ống dẫn, mỗi phần tử bù kiểu trượt chỉ bù được 3cm

Do vậy số phần tử bù kiểu trượt mà ta cần lắp đặt trên đoạn ống (1)-(5) là:

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống (1)-(5) để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy

ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các

đoạn ống rẽ nhánh

3.2.2 Tính toán bù giãn nở cho đoạn (1)-(2):

Đoạn ống (1)-(2) cấp hơi cho 2 hộ tiêu thụ nhiệt là xí nghiệp đường và rượu Với suất tiêu hao hơi là: D1 +D2 = 43,5 tấn/h Hơi quá nhiệt có áp suất 6at và ở nhiệt độ 2000C

 Chọn vật liệu làm ống:

Vật liệu làm ống được chọn là thép CT4 có các đặc tính vật lý như sau:

Modul đàn hồi: E18,15.10 6ứng suất bền:  b 130 N/mm 2

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1 Chiều dài ống: L1 2 300 m

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống (1)-(2) để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy

ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các

đoạn ống rẽ nhánh

3.2.3 Tính toán bù giãn nở cho đoạn (2)-(3):

Đoạn ống (2)-(3) cấp hơi cho hộ tiêu thụ nhiệt là xí nghiệp rượu

Với suất tiêu hao hơi là: D2 = 31,05 tấn/h Hơi quá nhiệt có áp suất 6at và ở nhiệt

độ 2000C

 Chọn vật liệu làm ống:

Vật liệu làm ống được chọn là thép CT4 có các đặc tính vật lý như sau:

Modul đàn hồi: E18,15.10 6ứng suất bền:  b 130 N/mm 2

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1 Chiều dài ống: L2 3 1200 m

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống (2)-(3) để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy

ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các

đoạn ống rẽ nhánh

3.2.4 Tính toán bù giãn nở cho đoạn (2)-(4):

Đoạn ống (2)-(3) cấp hơi cho hộ tiêu thụ nhiệt là xí nghiệp Đường Với suất tiêu hao hơi là: D1 = 12,35 tấn/h Hơi quá nhiệt có áp suất 6at và ở nhiệt độ 2000C

 Chọn vật liệu làm ống:

Vật liệu làm ống được chọn là thép CT4 có các đặc tính vật lý như sau:

Modul đàn hồi: E18,15.10 6ứng suất bền:  b 130 N/mm 2

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống (2)-(4) để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy

ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các

đoạn ống rẽ nhánh

3.3 Tính toán bù giãn nở nhiệt cho các đoạn ống hồi nước ngưng:

3.3.1 Tính toán bù giãn nở cho đường ống hồi nước ngưng từ xí nghiệp đường tới trung tâm nhiệt điện(TTNĐ):

 Chọn vật liệu làm ống:

Vật liệu làm ống được chọn là thép CT4 có các đặc tính vật lý như sau:

Modul đàn hồi: E18,15.10 6ứng suất bền:  b 130 N/mm 2

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1 Chiều dài ống: L1 630 m

 Tính toán:

Ta có độ giãn dài của ống khi dẫn hơi là: L1  t.L (t1 t ) Trong đó: 0

t : Nhiệt độ cao nhất của nước ngưng(theo kinh nghiệm, theo sự giảm nhiệt

độ theo chiều dài mỗi mét ống, nhiệt độ trung bình giữa nơi cấp và nơi tiêu thụ nhiệt.) Ta lấy nhiệt độ của nước ngưng là 800C

t0 : Nhiệt độ ống lúc lặp đặt Chọn t0 20 C0 là nhiệt độ môi trường

Do vậy: L1 1,2.10 638.(805 20)0, 4560 m=45,60 cm

Chọn các phần tử bù kiểu trượt, để bù cho sự giãn nở ra của ống ở đoạn ống này sự giãn nở của ống chỉ xảy ra theo phương dọc trục của ống dẫn, mỗi phần tử bù kiểu trượt chỉ bù được 3cm

Do vậy số phần tử bù kiểu trượt mà ta cần lắp đặt trên đoạn ống là:

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các đoạn ống

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1 Chiều dài ống: L2 1470 m

 Tính toán:

Ta có độ giãn dài của ống khi dẫn hơi là: L2  t.L (t2 t ) 0

Do vậy: L2 1,2.10 1538.(80 20) 1,107 m=110,7 cm.5  

Chọn các phần tử bù kiểu trượt, để bù cho sự giãn nở ra của ống ở đoạn ống này sự giãn nở của ống chỉ xảy ra theo phương dọc trục của ống dẫn, mỗi phần tử bù kiểu trượt chỉ bù được 3cm

Do vậy số phần tử bù kiểu trượt mà ta cần lắp đặt trên đoạn ống là:

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các đoạn ống

Độ dãn dài vì nhiệt:  t 1,2.10 K 5 -1 Chiều dài ống: L3 1510 m

Do vậy số phần tử bù kiểu trượt mà ta cần lắp đặt trên đoạn ống là:

Các phần tử bù này được lắp đều trên khoảng cách chiều dài ống đồng thời dùng ổ

đỡ có định hướng ở khoảng giữa ống để tránh sự xô lệch đường ống khi xảy ra sự giãn nở Dùng ổ đỡ cố định ở 2 đầu ống tránh sự tạo Mômen uốn cho các đoạn ống

rẽ nhánh

Chương 4 tính toán thuỷ lực mạng nhiệt

4.1 Mục đích tính toán thuỷlực mạng nhiệt:

Mục đích của việc tính toán thuỷ lực mạng nhiệt là nó sẽ giúp ta xác định

được chế độ làm việc của hơi, điểm áp cần cung cấp xem có đủ đáp ứng được hay không Xác định tổn thất trên đường ống, trên thiết bị từ đó điều chỉnh cho hợp lý,

đường ống cần lắp đặt như thế nào sao cho đảm bảo cả về khả năng chịu áp, lượng hơi cần cấp cho thiết bị, đường kính ống thích hợp không gây cồng kềnh lãng phí Qua đó xác định đường đặc tính làm việc của bơm chọn các chế độ vận hành Từ

đó ta có thẻ xem xét vốn đầu tư và các điều kiện khác

4.2 Tính toán thuỷ lực:

4.2.1 Tính toán thuỷ lực mạng hơi:

 Bố trí thiết bị trên các đoạn ống:

 Đoạn (0)(1)gồm: 1 cút 900, 2 bù kiểu trượt, 1 van rẽ nhánh(3 ngả)

 Đoạn (1)(2)gồm: 0 cút 900, 25 bù kiểu trượt, 1 van rẽ nhánh(3 ngả)

 Đoạn (2)(3)gồm: 1 cút 900, 90 bù kiểu trượt, 0 van rẽ nhánh

 Đoạn (2)(4)gồm: 1 cút 900, 25 bù kiểu trượt, 0 van rẽ nhánh

 Đoạn (1)(5)gồm: 1 cút 900, 110 bù kiểu trượt, 0 van rẽ nhánh

 Lưu lượng hơi trên các tuyến ống:

 Hơi đi theo tuyến (0)(1)(2)(4)(Hơi cung cấp cho xí nghiệp

 Tính giáng áp riêng theo các tuyến:

Hệ số tổn thất cục bộ khi hơi đi trong ống nằm trong khoảng  0, 40,6 Để tính giáng áp riêng ta giả thiết hệ số tổn thất cục bộ là   0,6 áp suất của nguồn cung cấp từ trung tâm nhiệt điện là p0 6 at Ta có giáng áp của các tuyến

 Hơi đi theo tuyến (0)(1)(2)(4)(Hơi cung cấp cho xí nghiệp

 Hơi đi theo tuyến (0)(1)(2)(3)(Hơi cung cấp cho xí nghiệp rượu) có:   

áp suất và nhiệt độ của điểm (1) trong hệ thống thuỷ lực:

Do tổn thất nhiệt   t 2 3 C 100m.0 Lấy  t 3 C 100m.0 Nên tại điểm (1) có:

k : Độ nhám thành trong của ống, lấy k=3mm

G : Lưu lượng hơi trên đoạn ống (0)-(1), G =D 60tấn/h=16,67kg/s, Do đó:

2, 03.10

Nhận thấy 0 1  gh0 1 nên giả thiết hơi chảy rối là đúng Do đường ống thường

được sản xuất theo đường kính tiêu chuẩn nên ta chọn ống tiêu chuẩn có các thông

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

B-Tính toán cho đoạn (1)-(5):

Giả thiết hơi chảy trong ống là chảy rối(  gh) ta có đường kính của ống:

k : Độ nhám thành trong của ống, lấy k=3mm

G : Lưu lượng hơi trên đoạn ống (1)-(5), G =D 11tấn/h=3,056kg/s, Do đó:

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

Giả thiết hơi chảy trong ống là chảy rối(  gh) ta có đường kính của ống:

k : Độ nhám thành trong của ống, lấy k=3mm

G : Lưu lượng hơi trên đoạn ống (1)-(5), G =D D 43, 4tấn/h=12,05kg/s,

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

Giả thiết hơi chảy trong ống là chảy rối(  gh) ta có đường kính của ống:

k : Độ nhám thành trong của ống, lấy k=3mm

G : Lưu lượng hơi trên đoạn ống (2)-(4), G =D 12,35tấn/h=3,45kg/s, Do

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

Giả thiết hơi chảy trong ống là chảy rối(  gh) ta có đường kính của ống:

k : Độ nhám thành trong của ống, lấy k=3mm

G : Lưu lượng hơi trên đoạn ống (2)-(3), G =D 31, 05tấn/h=8,63kg/s, Do

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

Lưu lượng [kg/s]

 Nước ngưng từ xí nghiệp rượu có lưu lượng:

4.2.2.1 Tính toán thuỷ lực cho đường ống dẫn nước ngưng từ xí nghiệp

đường về trung tâm nhiệt điện:

Với nhiệt độ của nước ngưng lấy là 800C có các thông số vật lý:



34.3, 45

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

Tổng tổn thất áp suất trên đường nước ngưng là:

Theo phương trình Bernouly viết cho 2 tiết diện mặt cắt của đầu hút và đầu

đẩy trên đường ống như sau:

4.2.2.2 Tính toán thuỷ lực cho đường ống dẫn nước ngưng từ xí nghiệp rượu

về trung tâm nhiệt điện:



34.8,625

(mm)

Chiều dày (mm)

Diện tích tiết diện vách ống (mm)

Thể tích 1m ống (l)

Khối lượng 1m ống (kg)

Momen quán tính (cm4)

Momen bền W(cm3)

100 108 100 4 13,1 7,85 10,3 177,2 32,8