TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ HÂM NƯỚC CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA CƠ KHÍ- CƠNG NGHỆ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỀ TÀI Đề số 01 :TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ HÂM NƯỚC CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Phương án : Giáo viên hướng dẫn: Lê Quang Giảng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Dũng MSSV:18137013 Khóa: 2018- 2022 Lớp : DH18NL Tp HCM, ngày … tháng … năm 2020 MỤC LỤC PHẦN 1: LỜI NÓI ĐẦU .1 PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 1.1 Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt: 1.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc thiết bị trao đổi nhiệt: 1.2.2 Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo sơ đồ chuyển động chất lỏng với loại thiết bị có vách ngăn: 1.2.3 Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo thời gian: 1.2.4 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo công dụng: 1.2.5 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo ứng dụng: 1.2.6 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo số lượng môi chất: 1.2.7 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo hình dạng bề mặt truyền nhiệt: 1.2.8 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo kiểu dòng chảy: 1.2.9 Các Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm: a) Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ghép gioăng: b) Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hàn kín: 1.2.10 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: 1.2.11 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mặt phẳng: 1.2.12 Ứng dụng trao đổi nhiệt: .6 1.2.13 Kết luận: 1.2 Bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện: 1.2.1 Công dụng phân loại hâm nước: 1.2.2 Bộ hâm nước ống thép trơn: .7 1.2.3 Bộ hâm nước ống thép có cánh: 1.2.4 Bộ hâm nước gang: .8 1.2.5 Cách nối hâm nước: PHẦN 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 3.1 Thơng số tính tốn hâm nước nhà mãy nhiệt điện: 3.2 Tính tốn thiết kế hâm nước nhà máy nhiệt điện: .9 PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM PHẦN 1: LỜI NÓI ĐẦU Ở nước ta , theo thịp độ phát triển cơng nghiệp hố đất nước , nhu cầu lượng dùng công nghiệp đời sống ngày tăng , nhu cầu sử dụng nhiệt chiếm tỉ lệ chủ yếu Trong trình sản xuất sử dụng nhiệt , thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị quan trọng cần thiết Các loại thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp nhiệt , sấy khơng khí , hâm nước , bình ngưng dùng cho nhà máy nhiệt điện , calorife khói nước dùng cho công nghiệp sấy , loại bình ngưng , bình bốc , tháp làm mát nước dùng cho ngành lạnh điều hồ khơng khí, thiết bị nhiệt độ cao lị cơng nghiệp , thiết bị hố chất nồi đặc , nồi chưng cất Ngồi , cịn số thiết bị trao đổi nhiệt kiểu thiết bị ông nhiệt , thiết bị sử dụng lượng mặt trời,….v Trong tập lớn môn học THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT tơi tính tốn thiết kế Bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quang Giảng hướng dẫn tận tình để tơi hồn thành tập lớn này, tập chắn không khỏi thiết sót , mong thầy đóng góp ý kiến để hoàn thiện hơn! Sinh viên thực Nguyễn Tiến Dũng Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 1.1 Khái niệm thiết bị trao đổi nhiệt: Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị thực trình trao đổi nhiệt chất mang nhiệt Trong kĩ thuật thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng rộng rãi đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghệ ví dụ lò để sản sinh nước, thiết bị ngưng tụ bốc thiết bị lạnh, thiết bị hồi nhiệt… 1.2.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc thiết bị trao đổi nhiệt: Thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc ( hay hỗn hợp ), loại thiết bị trao đổi nhiệt chất gia công môi chất tiếp xúc với nhau, thực trình trao đổi nhiệt trao đổi chất với tạo hỗn hợp Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt loại thiết bị trao đổi nhiệt có mặt trao đổi nhiệt quay, tiếp xúc chất lỏng mặt nhận nhiệt , tiếp xúc chất lỏng mặt tỏa nhiệt, trình trao đổi nhiệt khơng ổn định mặt trao đổi nhiệt có dao động nhiệt ví dụ : sấy khơng khí quay lị nhà máy nhiệt điện Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách rắn ngăn chất lỏng nóng chất lỏng lạnh chất lỏng trao đổi nhiệt theo kiểu truyền nhiệt Loại thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối chất , làm cho chất gia công tinh khiết vệ sinh , an tồn , sử dụng rộng rãi công nghệ Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt , loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏng nóng đến chất lỏng lạnh Mơi chất ống nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1, sơi hóa thành bảo hịa khơ, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng , ngưng thành lỏng quay vùng nóng để lặp lại chu trình Trong ống nhiệt mơi chất sơi ngưng chuyển động tuần hoàn , tải lượng lớn nhiệt từ chất lỏng đến chất lỏng 1.2.2 Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo sơ đồ chuyển động chất lỏng với loại thiết bị có vách ngăn: Sơ đồ song song chiều Sơ đồ song song ngược chiều Sơ đồ song song đổi chiều Sơ đồ giao lần Sơ đồ giao nhiều lần 1.2.3 Phận loại thiết bị trao đổi nhiệt theo thời gian: Phận làm loại Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM Thiết bị liên tục : Như bình ngưng , calorifer Thiết bị làm việc theo chu kỳ : nồi trùng , thiết bị sấy theo mẻ 1.2.4 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt theo công dụng: Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm : nồi nấu lò Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường : tháp giải nhiệt, binh làm mát dầu Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhở nhiệt độ môi trường : tủ lạnh, tủ đông 1.2.5 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo ứng dụng: Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng để trao đổi nhiệt giữa: Chất lỏng – lỏng , nước Chất lỏng – khí, gas, Chất khí – gas, 1.2.6 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo số lượng môi chất: Thông thường thiết bị trao đổi nhiệt dùng để trao đổi nhiệt hai mơi chất có nhiệt độ khác Tuy nhiên nhiều ứng dụng thiết bị sử dụng để trao đổi nhiệt nhiều mơi chất Ví dụ điển hình trao đổi nhiệt hơi, nước, Glycol sữa, nước hoa ứng dụng gia nhiệt trùng sản phẩm 1.2.7 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo hình dạng bề mặt truyền nhiệt: Hình dạng bề mặt truyền nhiệt phổ biến gồm: Bề mặt nhẵn (bare tube)  Bề mặt có cánh (fined tube) Bề mặt dạng loại xương cá chevron 1.2.8 Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt dựa theo kiểu dòng chảy: Dịng chảy thiết bị trao đổi nhiệt loại pass, double multi section Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM 1.2.9 Các Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm: Thiết bị cấu tạo từ nhiều trao đổi nhiệt mỏng Thiết bị cho hiệu suất trao đổi nhiệt lớn kích thước nhỏ so với loại thiết bị trao đổi nhiệt khác Chất liệu gioăng cao su kỹ thuật hàn ngày giúp thiết bị trao đổi nhiệt dạng sử dụng rộng rãi Thiết bị trao đổi nhiệt dạng sử dụng chủ yếu cho môi chất lỏng hoạt động áp suất thấp (dưới 30bar) Một số thiết bị trao đổi nhiệt dạng đặc biệt sử dụng mối hàn sử dụng cho ứng dụng có áp suất lớn, mơi chất gas nước a) Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ghép gioăng: Cấu tạo: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ghép gioăng có cấu tạo đơn giản, bao gồm trao đổi nhiệt xếp chồng lên làm kín gioăng (gasket) cao su Vật liệu trao đổi nhiệt đa dạng: Inox, Titanium, Hastelloy Vật liệu Gasket đáp ứng dải nhiệt độ rộng: NBR, EPDM, Viton.  Do áp suất hoạt động thấp nên thiết bị phù hợp với dạng trao đổi nhiệt giữachất lỏng chất lỏng Ứng dụng: Trao đổi nhiệt chất lỏng – lỏng, – chất lỏng, hóa chất Ưu điểm: Diện tích trao đổi nhiệt lớn, lưu lượng lớn, cơng suất lớn Nhược điểm: Áp suất, nhiệt độ hoạt động thấp                   Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM b) Thiết bị trao đổi nhiệt dạng hàn kín: Cấu tạo: Các trao đổi nhiệt xếp thành chồng, gắn với mối hàn Vật liệu thông thường Inox vật liệu mối hàn Đồng Ứng dụng: Hơi – chất lỏng, Gas- chất lỏng, chất lỏng – chất lỏng Ưu điểm: Nhiệt độ cao, áp suất cao Nhược điểm: Khó vệ sinh bảo dưỡng      1.2.10 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: Khái niệm: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm sử dụng rộng rãi (tỷ lệ 90%) cơng nghiệp độ bền, quy trình sản xuất đơn giản, lịch sử lâu đời, vật liệu chế tạo phổ biến Cấu tạo: Thiết bị gồm bó ống bên có chất lỏng cần làm nóng lạnh chạy qua Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thường sử dụng cho ứng dụng đòi hỏi áp suất nhiệt độ làm việc cao Môi chất trao đổi nhiệt chất lỏng, khí, gas    Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm phụ thuộc vào số yếu tố: Kích thước ống (tube): Sử dụng ống nhỏ giảm chi phí, thiết bị gọn nhẹ ngược lại khó vệ sinh, cáu bẩn Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM Chiều dày ống: Quyết định tới hệ số truyền nhiệt, độ mài mòn, khối lượng thiết bị, khả có sẵn phụ tùng Chiều dài ống, khoảng cách ống, vách ngăn Dòng chảy thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm dịng chảy chiều, dòng chảy ngang dòng chảy xoắn ốc 1.2.11 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng mặt phẳng: Thiết bị trao đổi nhiệt loại sử dụng cho ứng dụng trao đổi nhiệt khí – khí, khí chất lỏng – khí Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm vách phẳng ngăn cách môi chất chạy xen kẽ trao đổi nhiệt Ứng dụng: Gia nhiệt khí sơ cấp (Air Preheater), Thu hồi nhiệt thải (Heat Recovery), Gia nhiệt khí (Air Heater), Tạo khí nóng (Hot Air Generator) , Thu hồi nhiệt (Recuperator), etc., nhiệt độ thiết kế cực đại đạt 1000 ℃       1.2.12 Ứng dụng trao đổi nhiệt: Là thiết bị quan trọng, ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Dưới số ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt: Cơng nghệ tàu thủy: Làm nóng nước sử dụng hơi, ngưng tụ chân không, làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm nước biển, làm mát dầu Cơng nghệ hóa chất:  Dùng để làm trao đổi nhiệt EO/EG, ngưng tụ VOC Hệ thống thu hồi nhiệt thải áp suất nhiệt độ cao Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM Hệ thống ngưng tụ ethanol, gia nhiệt, làm lạnh ngưng tụ nhiều loại chất lỏng acid sulfuric, acid nitric, acid acrylic, acid béo Hệ thống lạnh công nghiệp: Bay ngưng tụ gas NH3, Gas lạnh R32, R407 HVAC: Hệ thống làm nóng nước trung tâm, thiết bị tạo nước nóng nhanh sử dụng nước Thiết bị giảm áp tòa nhà Interconcepter sử dụng trao đổi nhiệt Hệ thống thu hồi nhiệt nóng Chiller Thiết bị trao đổi nhiệt hệ thống lượng mặt trời, heatpump Công nghệ giấy: Thu hồi nhiệt thải, tạo màu giấy,… Thực phẩm đồ uống: bộ trao đổi nhiệt sử dụng phổ biến công nghệ thực phẩm đồ uống Do yêu cầu gia nhiệt làm lạnh sản phẩm Hoặc sử dụng để trùng, tiệt trùng, bảo quản thực phẩm, đồ uống sữa, bia, nước giải khát Công nghệ dệt: Thu hồi nhiệt q trình giặt, tẩy rửa Khí đốt than đá: Làm lạnh amonia, benzen, gia nhiệt thu hồi nhiệt q trình bay CO2 Cơng nghiệp điện: Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng làm mát dầu tuabin sử dụng nước hồ, nước suối Bộ trao đổi nhiệt hệ thống lượng mặt trời.  Bộ trao đổi nhiệt có nhiều cơng dụng chức khác nên khả ứng dụng thiết bị vô tận 1.2.13 Kết luận: Thiết bị trao đổi nhiệt đa dạng, phân loại dựa nhiều cách khác Việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt cần vào yêu cầu nhiệt độ, lưu lượng dịng chảy, loại mơi chất ứng dụng cụ thể Ngoài loại vật liệu giá thành thiết bị trao đổi nhiệt yếu tố định tới việc lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt phù hợp với ứng dụng 1.2 Bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện: 1.2.1 Công dụng phân loại hâm nước:  Nhiệm vụ và vai trò hâm nước nồi hơi là gia nhiệt cho nước cấp đến nhiệt độ sôi gần sôi trước nước vào bao Theo nhiệm vụ phân thành hai kiểu hâm: Bộ hâm nước kiểu sôi và kiểu chưa sôi Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM Ở hâm nước kiểu sơi, nước khỏi hâm đạt đến trạng thái sôi, độ sơi có thể đạt tới 30% Bộ hâm nước kiểu sơi đợc chế tạo ống thép trơn hoặc ống thép có cánh Ở hâm nước kiểu cha sôi, nước khỏi hâm nước cha đạt đến nhiệt  độ sơi Bộ hâm nước kiểu cha sơi chế tạo thép hay gang tùy theo thành phần lưu huỳnh nhiên liệu Khi tăng áp suất phần nhiệt lượng để đun nước đến sơi tăng lên, đó phần nhiệt lượng hấp thu hâm nớc phải tăng lên Khi phải chế tạo thiết bị hâm nước nồi hơi kiểu sôi 1.2.2 Bộ hâm nước ống thép trơn: Bộ hâm nước ống thép trơn có cấu tạo gần nhiệt, gồm các ống thép có đường kính từ 28 đến 38mm uốn gấp nhiều lần và hai đầu nối vào hai ống góp của thiết bị hâm nước nồi Bộ hâm nước chế tạo thành cụm có chiều cao khoảng 1m cụm được đặt cách 0,6m nhằm tạo khoảng trống cho việc làm vệ sinh được dễ dàng Thông thường các ống xoắn hâm nước đợc bố trí sole, tạo tốc độ dịng khói lớn và xốy nhiều nhằm tăng cờng truyền nhiệt 1.2.3 Bộ hâm nước ống thép có cánh: Bộ hâm nước gang gồm ống gang đúc có đường kính từ 76-120 mm, dài từ 1,5-3m, nối với cút nối có mặt bích bu lơng nên lắp đặt dễ dàng Về cấu tạo, hâm nước ống thép có cánh giống hâm nước ống thép trơn, khác ống người ta làm thêm cánh để làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhằm tăng cường truyền nhiệt Thiết bị hâm nước nồi kiểu có cánh có nhược điểm: Khả bám bụi lớn, khó làm vệ sinh dùng 1.2.4 Bộ hâm nước gang: Gang có ưu điểm chịu ăn mịn axít mài mịn tro, do vậy những nồi đốt nhiệt liệu có nhiều lưu huỳnh người ta dùng hâm nước bằng gang Tất nhiên gang lại có nhược điểm chịu lực va đập kém, để tránh hiện tượng thủy kích gây lực va đập ống hâm, nước hâm phải không sôi, nghĩa là thiết bị hâm nước nồi hơi bằng gang trang bị cho lò cần hâm nước kiểu chưa sơi Gang có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn thép, phía ngồi ống được đúc thêm cánh để tăng cường khả trao đổi nhiệt Bộ hâm nước gang gồm ống gang đúc có đường kính từ 76-120 mm, dài từ 1,5-3m, đợc nối với bằng các cút nối có mặt bích bu lơng nên lắp đặt dễ dàng Bộ hâm nước gang có nhược điểm kích thước lớn, nặng nề Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM Bộ ống gang thường được dùng cho lị cơng suất nhỏ trung bình Thơng thờng lị loại chưa có hệ thống xử lý nước có nhưng chưa hồn thiện nên nước cịn nhiều chất có khả gây ra ăn mòn, mà gang chịu ăn mòn và mài mòn tốt nên tuổi thọ cao hơn so với thiết bị hâm nước nồi hơi bằng thép 1.2.5 Cách nối hâm nước: Nước từ bình gia nhiệt vào hâm nước khỏi bộ hâm nước vào bao hơi.Việc nối hâm nước với bao thực hai cách: ngắt khỏi lị khơng ngắt khỏi lò Kiểu ngắt khỏi lò dùng cho loại hâm nước gang Việc đặt hâm nước kiểu ngắt khỏi lò chủ yếu bảo vệ để nước không sôi hâm khởi động lò lúc làm việc với phụ tải thấp Khi cho khói đường tắt, khói khơng qua thiết bị hâm nước nồi hơi hoặc cho nước từ hâm tái tuần hoàn bể chứa nước cấp Muốn nối kiểu ngắt cần phải có đường khói tắt làm cho phức tạp thêm lị Kiểu khơng ngắt khỏi lò đợc dùng cho loại hâm nước thép PHẦN 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Bộ hâm nước nhà máy nhiệt điện , nước cần đốt nóng trước đưa vào bao lò chảy bên ống trơn từ lên ( xem hình 1-8 ) , cịn khói từ xuống cắt ngang bên Ống xếp so le Khỏi để di bên ngồi khói bụi việc làm bề mặt ống dễ dàng 3.1 Thơng số tính tốn hâm nước nhà máy nhiệt điện: Tính tốn thiết kế hâm nước nhà máy nhiệt điện số liệu sau: lưu lượng nước chảy ống G2 =100 T/h, lưu lượng khói G1 = 190 T / h , nhiệt độ khói vào t '1 = 800 ° C nhiệt độ nước t ''2 =240° C nhiệt độ nước t '2= 70° C khói có thành phần thể tích 12% CO 2,10% H 2O 3.2 Tính toán thiết kế hâm nước nhà máy nhiệt điện: Giải Với hâm nước nhà máy nhiệt điện nói ta cho nước chảy ống, khói chuyển động cất ngang bên ngồi ống Vì nhiệt độ áp suất lớn nên chọn thép crom - mangan, từ bảng 12 phần phụ lục, nhiệt độ 100°C ÷ 600°C, hệ số dẫn nhiệt thép crôm - manga: λ = 22 W/m.K, chọn ống có đường kính ngồi d 2, đường kính d 1: d 2/d = 51/44 mm Vậy nhiệt độ trung bình nước t 2: Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM t 2= t '2 +t ''2 240+70 = 155°C = 2 Theo nhiệt độ nước t = 155°C, từ bảng (ở phần phụ lục) thông số vật lý nước ta có: ρ2= 912 kg/m3; C p = 4,32 kJ/kg.K; λ 2= 0,6835 W/m.K ν =0,197.10−6 m2⁄s; Pr 2= 1,135 Nhiệt nước nhận khói Q với lưu lượng nước ; sản lượng lò D: Q 2=G 2.C p 2.(t '2' −t '2)= 100.10 4,32.(240-70) 3600 Q 2= 2,04.104 kW Tiêu chuẩn ℜf nước: ℜf = ω2 d ν2 Ở ω - tốc độ nước chảy ống Vì nước có độ nhớt nhỏ nên giá trị tốc độ nước chọn từ (0,5 ÷ 3) m/s để bảo đảm nước chảy rối ống trở lực nước khóng lớn Ở ta thử chọn tốc độ nước ω = 0,6 m/s, từ ta có: ℜf = 0,60.0,044 = 1,34.105 0,197.10−6 Vì ℜf = 1,34.105 > 1.104 nên nước chảy rối ống hệ số toả nhiệt đối lưu nước vách ống ơ; tính từ phương trình tiêu chuẩn (1-18): 0.43 Nuf = 0,021 ℜ0.8 ε ε f Pr f A l R Ở hệ số toả nhiệt nước α lớn nhiều so với hệ số toả nhiệt khói α 1, nên nhiệt độ mặt ống t w gần nhiệt độ nước coi A= Pr f ≈ Pr w ( ) Khi giả thiết chiều dài 1nhánh ống l lớn 50d, ta có hệ số ε l = l, Ở phần uốn cong ống nhỏ sơ với toàn chiều dài ống nằm ngang nên hệ số ε R=1 Vậy ta có hệ số toả nhiệt nước: 0.43 Nuf = 0,021 ℜ0.8 f Pr f A.ε l.ε R Nuf = 0,021(1,34 105)0.8 (1,135)0.43 = 280 α 2= Nuf λ2 0,6835 = 280 =4353 W/m2.K 0.044 d1 Trang 10 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM Khói chuyển động kênh từ xuống cắt ngang ống Giả thiết tổn thất nhiệt khói truyền qua tường ngồi mơi trường nơi đặt hâm nước 5% nhiệt khói Vậy nhiệt khói cần toả Q 1: Q 1= Q t + Q =Q + 0,05.Q Q 1= Q 2,04 104 = = 2,14.104 kW 0.95 0.95 Ta cần tìm nhiệt độ khói :t ''1 Q 1=G1.C p 1.(t '1' −t '1) t ''1 =t '1 - Q1 G1 C p Ở C p - nhiệt dung riêng đẳng áp khói phụ thuộc nhiệt độ, tra theo bảng phần phụ lục Ta nhận thấy nhiệt dung riêng khói phụ thuộc vào nhiệt độ, ước lượng nhiệt độ trung bình khói t, = 650°C, theo bảng phần phụ lục, ta có C p = 1,2265 kJ/kg.K, nhiệt độ khói t ''1 nhiệt độ trung bình t 1: 2,14.10 t ''1 =800 - 190 103 = 470°C 1,2265 3600 t 1= t '1' + t '1 470+800 = =635°C 2 Theo bảng PL, nhiệt độ khói tính đượct = 635°C, nhiệt dung riêng C p ≈ 1,2265 Vậy theo giả thiết ta khơng phải tính lại t ''1 t Từ bảng PL, theo nhiệt độ khói t = 635°C ta được: ρ1= 0,390 kg/m3; λ 1= 0,0771 W/m.K ν1 =100.10−6 m2⁄s; Pr 1= 0,61 Tiêu chuẩn Reynold khói: ℜf = ω1 d1 v1 ω - tốc độ khói Khi khói bụi chọn tốc độ ω 1= (10 + 15) m/s, ta chọn ω 1=11m/s Vậy ta có: ℜf = 11.0,051 =5610 100.10−6 Vì tiêu chuẩn ℜf = 5194 nằm khoảng 103 ÷10 nên ta dùng cơng thức (1-24) chùm ống bố trí so le để tính hệ số toả nhiệt hàng ống thứ trở Ở Trang 11 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM ta giả thiết số hàng ống (theo chiều chuyển động khói) z > 7, nghĩa bỏ qua ảnh hưởng hang ống coi hệ số toả nhiệt đối lưu trung bình khói α đ với tồn chum ống hệ số toả nhiệt đối lưu hàng ống thứ ba Vậy ta có: 0.33 Nuf = 0,41 ℜ0.6 ε f Pr f A s Ở tiêu chuẩn Pr cửa khói thay đổi theo nhiệt độ nên coi A ≈ bỏ qua ảnh hưởng bước ốngε s = 1, ta có: Nuf = 0,41.( 5610 )0.6.( 0,61 )0.33= 61,8 α đ = Nuf λ1 61,8.0,0771 = =93,4 W/m2.K 0,051 d2 Vì khói chứa CO2; nước H 2O khí ngun tử nên có xạ gọi Hệ số toả nhiệt α b ta có hệ số toả nhiệt khói α : xạ α 1=α đ +α b Ở α b xác định theo (1-13): α b= qb t k −t w q b= C ε qd Tk T − w 100 100 [( ) ( ) ] ε qd= 1 + −1 εk ε w Để tìm nhiệt độ bể mặt vách ống t w, ta nhận thấy vách ống mỏng có hệ số đẫn nhiệt lớn nên coi nhiệt độ mặt ống t w nhiệt độ mặt ống t w 2: t w 1=t w = t w Ngoài ta có đẳng thức q = α δ t =α δ t Khi coi α =α đ = 93,4 W/m2.K, α = 4353 W/m 2.K Vậy ta có: δ t 1= α2 4353 δ t 2=47.δ t δ t2 = 93,4 α1 Mặt khác từ hình 1-9 tạ có: δ t 1+δ t 2=∆ t =t k -t n = 635 -155 =480°C Từ (a) (b) ta suy ra: 47.δ t 2=480 -δ t Trang 12 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM δ t 2= 480 = 10°C 48 δ t 2= t w 2-t n=10°C Vậy nhiệt độ bề mặt ống: t w = t w 2= t n+ = 155 + 10 = 165°C Ở nhiệt độ t w = 165°C, thép bị oxy hố bề mặt xù xì, theo bảng 15 PL ta tra độ đen bề mặt thép ε w = 0,94 Độ đen khói theo (1-14) ta có: ε w= ε CO +ε H 2 O Để tìm độ đen khí C O2 nước, ta phải xác định quãng đường trung bình tỉa xạ theo (1-15): l = 1,08.d ( s1 s2 −0.785 d 22 ) Với s1 - bước ống ngang, s2- bước ống đọc (tính theo chiều chuyển động khói) Ở ta chọn: s1 = 2,1 d ; s2 = d Vậy ta có: s1= 2,1.5,1 cm; s2 = 2.5,1 cm l = 1,08.5,1 .5,1 −0.785 =18,8 cm ( 2,1.5,1.2 ) 5,1 Thơng thường khói có thành phản thể tích:r C O = 12%,r H O = 10%, từ ta tính phân áp suất khí CO2 H 2O, coi áp suất khói áp suất môi trường p = l at: 2 pC O =r C O p= 0,12.1=0,12 at 2 p H O =r H O p = 0,10.1=0,10 at 2 Vậy ta có: pC O l = 0,12.18,8 = 2,26 cm.at p H O l = 0,10.18,8 = 1,88 cm.at Từ với nhiệt độ khói t k = t C O = t H O = 635°C đồ thị hình 1-5, l-6 ta tra độ đen CO2: EC O = 0,07, nước E H O= 0,046 Vậy độ đen khí: 2 2 Ek = 0,07 + 0,046 = 0,116 Độ đen quy dẫn Eqd : Trang 13 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM Eqd = 1 + −1 =0,1151 0,116 0,94 Mật độ dòng nhiệt xạ q b với C 0= 5,67 (hệ số xạ vật đen tuyệt đối): q b= 5,67.0,1151 635+ 273 − 165+273 100 100 [( ) ( ) ]=4196 W/m Hệ số toả nhiệt xạ khóiα b : α b= qb 4196 = =9 W/m2.K t k −t w 635−165 Hệ số toả nhiệt tổng hợp khói tới bể mặt ống: α 1=α đ +α b = 93,4+ = 102,4 W/m2.K Chúng ta nhận thấy ảnh hưởng xạ: khối t k = 635°C) =8,78% (ở nhiệt độ trung bình 102,4 d 51 = = 1,16 < 1,4 nên hệ số truyền nhiệt qua ống tính d 44 qua vách phẳng khơng kể dến bám bụi bể mặt ngồi cặn đồng bể mặt ống theo (1-10) ta có hệ số truyền nhiệt với chiều dày ống δ = d 2−d 51−44 = 2 =3,5 mm =0,0035 m k 0= 1 δ = 0,0035 + + + + α λ α 102,4 22 4353 k 0= 98 W/m 2.K bụi cáu bẩn (nước lò xử lý) nên ta chọn hệ số bụi bẩn φ = 0,85 (φ = 0,65 + 0,85) hệ số truyền nhiệt: k=φ k = 0,85.98 = 83,3 W/m 2.K Độ chênh nhiệt độ trung bình coi sơ để ngược chiều : Δt = Δt 1− Δ t Δt ln Δt2 Δ t 1=t '1−t '2' = 800 - 240 = 560°C Trang 14 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM Δt 2=t '1' −t '2 = 470 - 70 = 400°C Δt = 560−400 560 =475°C ln 400 Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách ống: q = k Δt = 83,3.475 = 39567,5 W/m2 Lúc ta kiểm tra việc tính toán ước lượng nhiệt độ bể mặt ống phần tính ảnh hưởng xạ trênt w = 165°C Ở ta có: q=α δ t 2; δ t 2= q 39567,5 = α2 4353 =9°C t w =t n +δ t 2= 155 + = 164°C Ta nhận thấy nhiệt độ bể mật ống tính 164°C gần với nhiệt độ ta tính ước lượng 165°C nên việc tính ta khơng phải tính lại phần ảnh hưởng xạ (nếu có sai khác nhiều ta phải tính lại cách lấy nhiệt độ bể mặt vừa tính để tính lại bước tính ảnh hưởng xạ) Tổng diện tích bể mặt ống F với nhiệt truyền Q = Q 2= 2,04.104 kW: F= Q Q 2,04 104 103 =515,5 = = m k Δt q 39567,5 Ta tính tổng số phần tử ống uống khúc từ ống góp nước phía lên ống góp nước phía với việc chọn tốc độ nướcω = 0,6 m/s trên: π d 21 G2=n ρ ω n= 4.G2 π d 21 ρ2 ω = 4.100 103 = 33,4≈ 35 3,14.3600 0,044 912 0,6 Chiều dài phần tử ống uốn khúc l với d tb = 0,5(51 + 44) = 47,5 mm: F = π d tb l n l 1= F 515,5 = =98,75 m π d tb n 3,14.0,0475 35 Cấu tạo hâm nước với kích thước sau Trong đó, a - chiều ngang kênh dẫn khói, b - chiều đài kênh dẫn khói, H - chiêu cao hâm nước Khi chọn a = 7,3 m ta có: Trang 15 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM b ≈ n s 1= n.2,1.d = 35.2,1.51 = 3748,5 mm = 3,7 m Số hàng ống z: l 98,75 z= = =14 a 7,3 H ≈ n s2 = z.2.d = 14.2.51 = 1428 mm = 1,428 m Bây ta phải kiểm tra việc chọn tốc độ khói ω = 11 m/s có khơng, sai ta phải tính lại hệ số toả nhiệt đối lưu khói α đ Ta có: A =b.a = 3,7.7,3 = 27,01 m (tiết diện kênh khói) A' =d 2.a.n = 0,051.7,3.35 = 13,03 m2 (tiết điện ống) A''=A- A'= 27,01-13,03 = 13,98 m2 (tiết diện khe hẹp) G 1= A' ' ω ρ ω 1= G1 A ' ' ρ1 = 190 103 =9,68 m/s 3600.13,98 0,39 Ta nhận thấy sai số tốc độ khói chọn 11 m/s tốc độ tính 9,68 m/s nhỏ, ta khơng phải tính lại α đ kết tính Chú ý: Qua ví dụ ta thấy với thấy với thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn loại lỏng - khí chưa kể đến ảnh hưởng bụi bẩn bể mặt nghĩa tính hệ số truyền nhiệt kẹ ta δ λ 0,0035 =0,00016 ≈ hệ số tỏa nhiệt nước 22 α = 4353 W/m 2.K lớn so với hệ số tỏa nhiệt khói α = 102,4 W/m2.K nên ta 1 =0,00021≈ Vậy lúc ta có: qua nhiệt trở nước = α 4353 bỏ qua nhiệt trở vách ống = k 0= 1 ≈ δ 1 = 102,4 W/m 2.K + + α λ α2 α Nếu ta bỏ qua ảnh hưởng xạ khói tức làα b ≈ , ta có: α 1=α đ + α b ≈ 93,4 W/m 2.K k 0≈ =α đ = 93,4 W/m2.K α1 đ Vậy bỏ qua nhiệt trở nước, vách ống ảnh hưởng xạ khói, hệ số truyền nhiệtk = 93,4 W/m 2.K gần so với tính xác: k =98 W/m2.K với sai Trang 16 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM số: ( 98−93,4 ) = 4,6% giảm bớt nhiều việc tính nên tính tốn nhanh 98 mà bảo đảm độ xác mức cho phép ngành nhiệt, Ngồi để tính hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt, ta có: W 1=G C p 1= 190.10 1,2265=64,73 kW / K ( khói ) 3600 W =G C p 2= 100 103 4,32=120 kW / K ( khói ) 3600 Ta nhận thấy W 1< W , nên hiệu suất tính theo khói: η= Q1 δ t t '1−t '1' 800−470 = = = =0,45=45% Q max δ t max t '1−t '2 800−70 PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt PGS.TS BÙI HẢI, Nhà xuất giao thông vận tải Hà Nội - 2002 Thiết bị trao đổi nhiệt PGS.TS BÙI HẢI – TS DƯƠNG ĐỨC HỒNG – TS HÀ MẠNH THƯ, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội - 2001 HỒNG ĐÌNH TÍN, Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất khoa học Hà Nội – 2007 Trang 17