Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu khi thay đổi chế độ dòng chảy bên trong ống bằng cách bố trí thêm “ống can thiệp” vào bên trong nhằm tăng hiệu suất trao đổi nhiệt đối với lò đốt gián tiếp có có bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm kiểu khói - khí.
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO LỊ ĐỐT SINH KHỐI CĨ BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT KIỂU KHĨI - KHÍ DESIGN AND FABRICATION OF BIOMASS FURNACE FOR FLUE GAS TO AIR HEAT EXCHANGER NGUYỄN ĐÌNH TÙNG*, NGUYỄN VĂN TIẾN Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp, Bộ Công thương *Email liên hệ: ndtung.hn@gmail.com Tóm tắt Lị đốt sinh khối có trao đổi nhiệt kiểu khói-khí (khói - khơng khí) sử dụng phụ phẩm trồng/phụ phẩm nông nghiệp làm nguồn nhiên liệu đốt để tạo nguồn lượng nhiệt cần thiết cho mục đích khác nhau, chẳng hạn sấy ngũ cốc, lạc, đậu nành, sắn nguyên liệu khác Lò bao gồm buồng đốt, ống góp trên, hai ống góp ống xả/ống khói Các ống xả/ống khói hướng dịng khí cháy (khói) từ buồng đốt theo đường ngoằn ngo khoảng thơng ống góp và tạo thành ống khói Trong đó, khơng khí (khí lạnh) xung quanh vào khoang chứa, qua bề mặt truyền nhiệt buồng đốt/của ống trao đổi nhiệt ống xả nhiệt truyền tới thực q trình tao đổi nhiệt Sau khỏi lị Ngồi nghiên cứu nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu thay đổi chế độ dịng chảy bên ống cách bố trí thêm “ống can thiệp” vào bên nhằm tăng hiệu suất trao đổi nhiệt lị đốt gián tiếp có có trao đổi nhiệt dạng ống chùm kiểu khói - khí Q trình thực nghiệm xác định tỉ lệ tiết kiệm lượng khoảng 20%, hiệu suất trao đổi nhiệt tăng khoảng ≈ 88%, công suất nhiệt tăng lên khoảng 56% Từ khóa: Lị đốt sinh khối, trao đổi nhiệt khói khí, đặc tính chảy dịng khí, chùm ống trao đổi nhiệt Abstract A hot air heat exchanger furnace that uses crop residue/ bagricultural residue as a fuel source is provided for producing the heat required for various purposes, such as the drying of grains, peanuts, soybeans, cassava and other materials The furnace includes a combustion chamber, an upper manifold, two lower manifold and a 184 exhaust tubes The exhaust tubes direct the flow of combustion gases from the combustion chamber in a serpentine path in the plenum between the upper and lower manifolds and into a stack Meanwhile, ambient air passes into the plenum, past the heat transfer surfaces of the combustion chamber and the exhaust tubes as heat transfers to it Then it passes out of the furnace In addition to studying the authors present the results when changing the flow regime inside the tube by adding an "intervention tube" to the inside to increase heat exchange efficiency for an indirect incinerator with an indirect furnace using the thermal exchange with flue gas to air type The experimental process has identified an energysaving rate of about 20%; heat exchange efficiency increases by about 88%, heat capacity increases by about 56% Keywords: Biomass furnace, flue gas to air heat exchanger, air flow characteristics, multi-tube heat exchanger Mở đầu Việc sử dụng lò đốt sinh khối quy mô công nghiệp kiểu gián tiếp tạo dịng khí nóng sử dụng để sấy nơng sản hướng theo xu tận dụng phụ phẩm sinh khối để chuyển đổi thành nguồn lượng nhiệt cho sở chế biến, sấy nông sản chế biến giống cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Việt Nam giai đoạn Tuy nhiên, phận dàn ống trao đổi nhiệt lựa chọn, tính tốn để đảm bảo độ bền sử dụng tăng hiệu suất trao đổi nhiệt trình làm việc vấn đề cần quan tâm nghiên cứu, nghiên cứu ứng dụng Bởi nội dung báo nhóm tác giả trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo lò đốt sinh khối có trao đổi nhiệt kiểu khói-khí với mục tiêu làm tăng tỷ lệ thu hồi nhiệt, tránh gây nhiều khói bụi, khơng kén chọn nhiên liệu đốt, khơng tốn nhân cơng giảm chi phí lượng so với SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 sản phẩm loại Mẫu lị đốt dùng cho sở chế biến nông sản tỉnh miền núi có nhiều nguồn phụ phẩm sinh khối thuận lợi mang lại lợi ích cho doanh nghiệp sản xuất [4] Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lý thuyết sử dụng cho nghiên cứu để tính tốn thơng số kỹ thuật làm sở cho việc thiết kế thiết bị; ngồi nhóm tác giả cịn sử dụng phương pháp nội suy; phân tích tổng hợp; ứng dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng (autocad, inventor, mitcacl) để thiết kế tính tốn 2.2 Vật liệu nghiên cứu Vật liệu nghiên cứu nghiên cứu loại nhiên liệu sinh khối (củi, cây,…) có độ ẩm 15-30% sẵn có địa phương, sở chế biến sử dụng để làm nhiên liệu đốt nghiên cứu mẫu lò 2.3 Thiết bị đo nghiên cứu Các thiết bị đo sử dụng thực nghiệm, gồm: I - Máy đo lưu lượng vận tốc gió (Testo CHLB Đức); II - Các biến tần điều khiển tốc độ động cơ; III - Ampe kìm đo điện tiêu thụ; IV - Máy đo độ ẩm nhiên liệu 3.1 Kết tính tốn lị đốt Lị đốt tính tốn dựa công suất nhiệt tiêu thụ hệ thống sấy Đối với hệ sấy nông sản, thành công trình sấy, hiệu kinh tế chất lượng sản phẩm sấy chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, phương pháp sấy, phụ thuộc nhiều vào hệ thống lò đốt cấp nhiệt Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập chung vào vấn đề lị đốt gián tiếp sử dụng nhiên liệu rắn phụ phẩm sinh khối gỗ Trước tiên ta xây dựng phương trình xác định cơng suất nhiệt của lị cơng suất nhiệt tiêu thụ, từ làm sở để tính tốn, thiết kế lị đốt, phương trình tính tốn cơng suất nhiệt trình bày phương trình (1) đến (8) [2] Ta có: (1) ' Qkk = mkk hkk = mkk c p Dt kk = mkk c p t kk kk kk = Vkk rkk c p tkk kk (2) SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) (3) Mặt khác ta có: ' Qvao = Vkk rkk c p t kk + mnl H u kk Tương tự ta có: ' ' ' Qra = Qsd + QThatthoat Trong đó: (4) (5) ' Qsd = mkn hkn = mkn c p Dtkn kn (6) ' ' Cân lượng: Qvao = Qra (7) Thông qua phương trình (5) - (6) ta xác định Q’Thất tổn thất mơi trường: ' ' QThatthoat =Qvao - Qsd (8) i) Tính tốn, thiết kế lị đốt Trước tiên cần tính tốn buồng đốt, buồng đốt cần quan tâm đến thể tích buồng đốt, thể tích buồng đốt có hợp lý hay khơng cịn phụ thuộc vào mối quan hệ diện tích ghi lị chiều cao buồng đốt Hai thơng số ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu buồng đốt cháy lị ii) Tính tốn buồng đốt Kết ' ' ' Qvao = Qkk + QNLieu Trong đó: ' QNLieu = mnl H u - Từ tổng nhiệt lượng cần thiết cho trình sấy QS (kJ), ta tìm nhiệt lượng mà lị đốt cần cấp tính theo phương trình: Q' = QS (kJ), h bd h h (9) Với h bd , h h - Hiệu suất buồng đốt đường dẫn khói: Theo [3], đây: hbd = 0,65;hh = 0,75 , - Lượng nhiên liệu cung cấp cho lò đốt giờ: Q ' (kg/h) (10) mTh = Hu Hu- nhiệt trị thấp nhiên liệu, - Diện tích ghi lị là: Fghi = Q' (m²), Q/ F (11) - Thể tích buồng đốt là: Vbd = Q' (m³), Q/ N (12) Nếu chọn chiều cao buồng đốt h (m) diện tích đáy lị là: 185 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 FL = Vbd (m²), h Từ diện tích đáy lị ta xác định kích thước ghi lị iii) Tính tốn tổng qt thơng số quạt cho lị đốt - Lượng khơng khí cần thiết phải cung cấp là: V0 = k.V (m3/h); (14) Trong đó: k = 1,1 - Hệ số dự trữ quạt; V Lượng gió cần thiết cấp cho lị - Lượng khơng khí thực tế là: 760 (t + 273) VT = V0 (m³/h) p 273 (15) Trong đó: p - Áp suất khí nơi đặt quạt; t - Nhiệt độ nơi đặt quạt Từ kết tính tốn trên, ta chọn lưu lượng quạt gió cho thỏa mãn lượng tiêu thụ khơng khí mức tối thiểu mức bình thường cho trình cháy 1kg nhiên liệu đốt tương ứng 3,8m3/kgBr, 5,4m3/kgBr Lưu lượng quạt gió cần thỏa mãn V’ ≈1200m³/h iv) Tính tốn tổng qt thơng số quạt cho trình sấy Trong nghiên cứu lựa chọn quạt ly tâm, lưu lượng áp suất quạt tính tốn dựa vào sở kinh nghiệm thực tế, xác định áp suất tĩnh H T theo yêu cầu sử dụng Để tính áp suất động ta dựa vào số động học tính theo phương trình sau: K= Hd ; HT + H d (16) (kW) Thay số vào tính N ĐC = 30 (kW) Căn vào thông số tính tốn: cơng suất, cột áp, lưu lượng quạt theo [1] chọn quạt ly tâm No8 v) Kết tính tốn, lựa chọn thơng số q trình; thơng số kỹ thuật Bảng Kết tính tốn lị đốt gián tiếp [4] Các thơng số Ký Thứ hiệu ngun Giá trị CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA LỊ Cơng suất nhiệt Q’ kWth Hiệu suất nhiệt hbd % 78 Diện tích ghi lị FGhi m² 2,25 Thể tích buồng đốt Vbd m³ 1,56 Đường kính TĐ lị đốt DLĐ m 2,25 Nhiên liệu tiêu thụ m’NL kg/h 285 Lượng khơng khí tối thiểu để đốt 1kg NL Lượng khơng khí cần thiết để đốt 1kg NL V’min V’ V0 m³/kgB r m³/kgB r m³/h 2282 3,8 5,4 30.000 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH CỦA QUẠT ĐỐT (17) Cơng suất động Lượng khơng khí thực Vậy áp suất tồn phần là: H = H T + H d (mmH2O) (20) cơng suất thực tế động là: N ĐC = K N thiết Quạt phải cung cấp Sau biến đổi ta tìm áp suất động: V H TT (kW) 102.h td Trong đó: V - Lưu lượng quạt (m³/s); HTT - Áp suất toàn phần quạt (mmH 2O); quạt thiết kế lắp trực tiếp trục động Thay số ta tìm N = 25 (kW) Để tránh cho đơng điện làm việc tải, người ta thường lấy thêm hệ số an toàn K2 Theo [3], hệ số dự trữ công suất quạt K = 1,1¸1,5, chọn K2 = 1,2 Khi Lượng khơng khí cần theo [1] ta có: K = 0,4 K2 Hd = H T (mmH2O) 1- K N= (13) tế Quạt phải cung cấp (18) Lượng khơng khí theo N kWel 30 VT tế m³/h 31.100 VQ chọn m³/h 36.000 Áp suất thực tế cần thiết tính theo phương trình sau: H (mmH2O) (19) H TT = h đường đặc tính Quạt Hệ số động học quạt k - 0,4 Trong đó: h- Hiệu suất quạt ly tâm (0,45 ¸ 0,65), chọn h = 0,6 Hiệu suất quạt ly tâm hQuạt - 0,75 Số hiệu quạt No8 No8 - - - Công suất trục quạt tính theo phương trình: 186 Áp suất tổng DP mmH2 O 235 Trên q trình tính tốn công suất nhiệt, hiệu suất buồng đốt số thơng số SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 lị đốt, quạt gió, kết tính tốn trình bày tóm lược Bảng Kết thiết kế thiết bị trình bày tóm lược Hình sau 3.2 Kết tính tốn thiết kế trao đổi nhiệt khí - khói kiểu ống trở/trở kháng Rconv, h - hệ số truyền nhiệt đối lưu từ mơi chất nóng đến phân vùng mơi chất, (ii) - điện trở/trở kháng Rp để dẫn nhiệt qua phân vùng/lớp, (iii) - điện trở/trở kháng Rconv,c sang đối lưu truyền nhiệt từ vách ngăn/thành ống sang mơi chất lạnh Do xét cho trường hợp dạng phẳng ta có [5]: (22) Xem xét phân tích mơ Hình sau Nhiệt truyền từ mơi chất bên ngồi/khói nóng (ở nhiệt độ trung bình To), thơng qua màng bẩn/lớp bụi bẩn bên thành ống, qua thành ống, qua màng bẩn khác đến môi chất bên nhiệt độ khối khí Ti Ai Ao diện tích tiếp xúc/diện tích trao đổi nhiệt bên bên thành ống xét chiều dài ống định, ống hình trụ ta có [5]: A0 2p ro L ro = = Ai 2p ri L ri (23) Hình Sơ đồ nguyên lý kết cấu thiết bị [4] Thiết kế trao đổi nhiệt, xem xét hệ số truyền nhiệt tổng thể, cân lượng, ta xét phân đoạn đặc trưng trao đổi nhiệt xét trường hợp dạng ống đơn thể dạng sơ đồ Hình Khi tốc độ truyền nhiệt phân khúc xác định theo phương trình sau [5]: dq x = U DT x dA x (21) Hình Mơ hình hóa trao đổi nhiệt dạng ống [5] Trong U hệ số truyền nhiệt tổng thể, ΔT chênh lệch nhiệt độ cục mơi chất nóng lạnh dA vùng tiếp xúc phân đoạn vi phân Hệ số truyền nhiệt tổng thể U xét cho hình dáng hình học trao đổi nhiệt (tấm, ống, cánh,…), nghiên cứu “ống” Hệ số truyền nhiệt tổng thể tỷ lệ nghịch với tổng điện trở Rtot với dịng nhiệt Trong phương trình (22) (i) - với điện SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Mơ hình truyền nhiệt ống hình trụ [5] Tốc độ truyền nhiệt mơi chất bên ngồi ống bề mặt màng bẩn/lớp bụi bẩn bên đưa phương trình có dạng Q/A = h (T f - Ts) diện tích Ao tương ứng cho trình đối lưu bên bề mặt ống, tương tự bên ống Ai Các giá trị hi ho phải tính tốn từ mối tương quan phù hợp Trên bề mặt trao đổi nhiệt trình thực tế, có lớp bụi bẩn bám bề mặt với ngày tăng dần theo thời gian sử dụng Thực tiễn lớp màng bám bẩn khó xác định bề dày lớp màng độ dẫn nhiệt lớp màng Thay vào đó, thiết kế ước tính từ bảng giá trị tiêu chuẩn từ kinh nghiệm hệ số cản trở (tương đương điện trở) định nghĩa theo thông lượng nhiệt Q/A chênh lệch nhiệt độ Truyền nhiệt đối lưu Điện trở truyền nhiệt đối lưu tỷ lệ nghịch với hệ số truyền nhiệt đối lưu, h = 1/Rconv Hệ số truyền nhiệt đối lưu phụ thuộc vào tính chất mơi chất, hình dạng/đặc tính dịng chảy tốc độ dịng 187 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 chảy, ta mơ tả phụ thuộc cách sử dụng số hệ số không thứ nguyên như: Hệ số Reynolds, Prandtl Nusselt Giá trị số Reynold cho phép xác định xem dòng chảy dòng chảy tầng hay dòng chảy hỗn loạn/chảy rối cửa lấy gió lạnh bốn cửa; cửa lấy gió nóng vào thiết bị sấy hai cửa; đường kính ống lấy gió nóng dẫn tới hệ thống sấy ø800mm Mối quan hệ hệ số/hằng số Re, Pr Nu cho hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt kiểm tra thiết lập mô hình lý thuyết từ kết phép đo thực nghiệm Diện tích yêu cầu trao đổi nhiệt xác định theo phương trình [5]: A= Q U DTm [m ] A nt p D [ m] (25) Trong đó: nt số lượng ống song song tùy thuộc vào tỷ lệ dòng lưu chất, đường kính ống tốc độ dịng lưu chất Một tính tính khoa học nghiên cứu kéo dài thời gian trao đổi nhiệt hai dịng lưu chất khí - khói cách can thiệp thêm ống phụ bên lịng ống nhằm mục đích kéo dài thời gian lưu chuyển dịng khí bên ống làm thay đổi chế độ dòng chảy từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối dòng khí bên ống, qua tăng cơng suất hiệu suất trao đổi nhiệt Kết tính tốn cho ta được: - Số lượng ống trao đổi nhiệt 100 ống với đường kính ngồi 114mm, tổng diện tích trao đổi nhiệt ống 54m2 - Với lượng ống phụ (ống tăng cường trao đổi nhiệt) 100 ống, đường kính ngồi 76mm, tổng diện tích trao đổi nhiệt ống phụ 36m2 3.3 Kết chế tạo lị đốt gián tiếp có trao đổi nhiệt khí - khói kiểu ống [4] Kết thiết kế lò đốt nhiên liệu rắn sinh khối với quy mô công nghiệp để ứng dụng cho hệ thống sấy nơng sản Hình với thông số kỹ thuật trao đổi nhiệt kiểu khí - khói sau: Số chùm ống trao đổi nhiệt 20 chùm; số nhánh ống chùm nhánh; tổng diện tích trao đổi nhiệt ống 54m2; tổng diện tích trao đổi nhiệt ống phụ (ống tăng cường) 36m2; kích thước lị (dài x rộng x cao) tương ứng (2m x 2,1m x 5m); 188 ẩ ế ạo lò đố ế Kết luận Diện tích trao đổi nhiệt hình ống bao gồm từ ống/chùm ống song song Độ dài ống song song xác định từ phương trình sau [5]: L= ả (24) Đã tính tốn, thiết kế lò đốt gián tiếp sử dụng nhiên liệu rắn từ phụ phẩm sinh khối đáp ứng quy mô công nghiệp, với cơng suất nhiệt ≈1750kWth; với nhiệt độ dịng khí khoảng 112oC tương ứng với lưu lượng 30.450m3/h, ứng với lượng nhiên liệu tiêu thụ khoảng 275-295 (kg/h) với trao đổi nhiệt kiểu chùm ống có đường kính ống ~ø114mm, đường kính ống phụ/ống “can thiệp” để tăng công suất nhiệt, tăng hiệu suất trao đổi nhiệt thay đổi dòng lưu chất từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối ~ø76mm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bac, O, Cơ sở lý thuyết quạt ly tâm (Tiếng Nga), Lêningrad, 1963 [2] Nguyen Dinh Tung, Theoretische und experimentelle Untersuhungen zur energetische Nutzung landwirtschaftliche Abfälle aus Vietnam, Dissertation, Univ Rostock, Deutschland, 2009 [3] Nguyễn Đình Tùng, Nguyễn Đức Dũng Hoàng Văn Hải, Nghiên cứu, tính tốn, thiết kế chế tạo mẫu lị đốt than bán gián tiếp phục vụ cho bảo quản chế biến nông sản, Báo cáo nghiên cứu khoa học, đề tài cấp Trường, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, 2005 [4] Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Đình Tùng cộng sự, Nghiên cứu, tính tốn, thiết kế, chế tạo lị đốt gián tiếp có hồi lưu nhiệt thải quy mô công nghiệp, công suất 500-1000KWth, Đề tài cấp Bộ, 2019 [5] Peter von Böckh, Thomas Wetzel, Wärmeübertragung - Grundlagen und Praxis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 08/7/2021 11/8/2021 16/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... nhiệt khí - khói kiểu ống [4] Kết thiết kế lò đốt nhiên liệu rắn sinh khối với quy mô công nghiệp để ứng dụng cho hệ thống sấy nông sản Hình với thơng số kỹ thuật trao đổi nhiệt kiểu khí - khói. .. đổi nhiệt ống 54m2 - Với lượng ống phụ (ống tăng cường trao đổi nhiệt) 100 ống, đường kính ngồi 76mm, tổng diện tích trao đổi nhiệt ống phụ 36m2 3.3 Kết chế tạo lò đốt gián tiếp có trao đổi nhiệt. .. 3.2 Kết tính tốn thiết kế trao đổi nhiệt khí - khói kiểu ống trở/trở kháng Rconv, h - hệ số truyền nhiệt đối lưu từ mơi chất nóng đến phân vùng môi chất, (ii) - điện trở/trở kháng Rp để dẫn nhiệt