4.1. Tính chọn calorifer.
Trong kỹ thuật sấy người ta thường sử dụng hai loại calorifer để đốt nóng không khí: calorifer khí – hơi và calorifer khí – khói. Đối với hệ thống sấy buồng người ta sử dụng calorifer khí – hơi. Trong đồ án này chúng em cũng chọn calorifer khí hơi.
Calorifer khí – hơi là thiết bị trao đổi nhiệt có cấu tạo gồm các bộ phận: vỏ kim loại bọc ngoài thiết bị, giàn ống có cánh, mặt bích. Trong ống là hơi bão hoà ngưng tụ ngoài ống là không khí chuyển động. Do đó hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng của hơi nước αn rất lớn so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài ống với không khí αk. Theo lý thuyết nhiệt, phía không khí thường được làm cánh để tăng cường truyền nhiệt. Như vậy calorifer khí – hơi trong kỹ thuật sấy thường là loại ống cánh có vách.
Phương pháp truyền nhiệt của calorifer khí – hơi gồm hai phương pháp cơ bản sau: truyền nhiệt dẫn nhiệt, truyền nhiệt đối lưu. Trong thiết bị này chế độ làm việc của bộ trao đổi nhiệt là truyền nhiệt cưỡng bức. Không khí chuyển động cưỡng bức qua chùm ống và nhận nhiệt mang vào buồng sấy. Cấu tạo của ống có cánh phải đảm bảo cho không khí thổi qua tiếp xúc được với diện tích bề mặt là lớn nhất.
Chọn vật liệu:
Vật liệu chế tạo thiết bị gồm: giàn ống có cánh làm bằng thép, cánh làm bằng đồng. Do phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và áp lực lớn cho nên ống làm bằng thép, cánh làm bằng đồng phải thoả mãn những yêu cầu đặc biệt sau:
- Không bị oxi hoá dưới tác dụng của oxy trong không khí nhiệt độ cao.
- Độ bền cơ học cao, không biến dạng, các kích thước phải cố định. - Dễ gia công, chế tạo.
Do đó khi lựa chọn vật liệu chế tạo phải hợp lý với yêu cầu của bộ trao đổi nhiệt. Về đặc điểm cấu tạo phải phù hợp với khả năng làm việc của một số vật liệu thông dụng trong công nghiệp.
Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của calorifer:
Tính calorifer là tính bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết sau đó là chọn hoặc thiết kế một calorifer đáp ứng đủ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. Để xác định bề mặt truyền nhiệt của calorifer, chúng ta phải tính các thông số cơ bản gồm hệ số nhiệt độ trung bình Δt và hệ số truyền nhiệt k. Kết quả tính calorifer còn là cơ sở để chúng ta tính năng suất hơi cần thiết khi dùng hơi nước làm chất tải nhiệt.
Calorifer mà chúng ta tính ở đây là calorifer khí – hơi thường làm bằng giàn ống có cánh nên mục đích tính toán ở đây là: tính lưu lượng hơi qua calorifer (G), diện tích trao đổi nhiệt (F), cách bố trí giàn ống calorifer, sau đó xác định kích thước của calorifer. Cho nên tính toán calorifer nói chung và của calorifer khi – hơi nói riêng là tính toán bề mặt truyền nhiệt (F) cần thiết khi biết lưu lượng và nhiệt độ vào và ra của không khí.
Do nhiệt lượng tiêu hao ở giai đoạn 1 là lớn hơn nhất do đó khi tính toán bề mặt truyền nhiệt các số liệu sẽ lấy ở giai đoạn 1: Nhiệt độ không khí vào calorifer t1 ta chọn bằng nhiệt độ môi trường t1 = 25oC. Nhiệt độ ra của không khí t2 cũng chính là nhiệt độ của tác nhân sấy vào thiết bị sấy. Xác định theo yêu cầu công nghệ ta chọn nhiệt độ t2 = 50oC. Hơi dùng cho bộ trao đổi nhiệt khi vào ống ở áp suất p=4 at, có nhiệt độ tn=143oC. Cấu tạo và cách bố trí ống hình 3.1.
Hình 4.1. Bố trí ống và cấu tạo của ống
Do yêu cầu kích thước của buồng sấy ta chỉ bố trí 2 hàng ống trao đổi nhiệt, chiều dài ống sẽ là nhỏ hơn chiều rộng buồng.
Ta chọn sơ bộ ống trao đổi nhiệt là các ống có cánh với các thông số kích thước sau:
- Đường kính ngoài và trong ống: d2/d1 = 80/75 mm; - Đường kính cánh dc = 90 mm; - Chiều dày cánh δc = 0,5 mm; - Bước cánh t = 3 mm; - Bước ống s = 110 mm; - Ống thép có hệ số dẫn nhiệt λ = 45 W/mK; - Cánh làm bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt λc = 110 W/mK;
50oC 143oC
25oC
- Chiều dài phần nằm ngang của ống l = 4 m;
Từ các số liệu trên ta xác định được diện tích trao đổi nhiệt cho 4 m chiều dài ống theo trình tự như sau:
Độ chênh nhiệt độ trung bình được xác định theo công thức sau:
Δt= Δt1−Δt2
ln ΔtΔt1
2
Trong các calorifer khí – hơi, dịch thể nóng là hơi nước ngưng tụ có nhiệt độ không đổi t1’=t1’’=tb= const. Ở đây tb là nhiệt độ bão hoà của hơi nước tb=143oC. nhiệt độ ra khỏi calor ifer t2’’=50oC, nhiệt độ vào calorifer là nhiệt độ môi trường to’=25oC.
Do đó t1 và t2 trong công thức trên được tính là: t1 = tb – t0 = 143 – 25 = 118C t2 = tb – t1 = 143 – 50 = 93C Δt= Δt1− Δt2 ln ΔtΔt1 2 =118−93 ln 118 93 =102°C Δt =102°C Số cánh trên một ống với sc = t + c = 3 + 0,5 = 3,5 mm nc= l sc =0,00354 =1143 Chiều cao cánh bằng: h= dc−d2 2 =90−280 =5 mm kích thước x ác định dε.
dE= F 01.d2+F c1√ F c1 2.nc F c1+F 01
Trong đ ó: F01 . Fc1 - diện tích phần không làm cánh và diện tích các cánh trên một ống; F01 = .d2..t, nc = .0,08.0,003.1143 = 0,862 m2 Fc1 = nc.2(πd4c2− πd422) = 2( π0,092 4 − π0,08 2 4 ).1143=3,05m2 dE= 0,862.0,08+3,05.√ 3,05 2.1143 0,862+3,05 =0,046
Nhiệt độ trung bình của không khí được xác định là tkk = 0,5(t1 + to) Trong đó: t1 – là nhiệt độ của tác nhân sấy vào hầm sấy;
t2 – là nhiệt độ môi trường; tkk = 0,5.(25 + 50) = 37,5oC
Từ nhiệt độ tkk = 37,5oC ta tra được các thông số vật lý của không khí: k = 1,135 kg/m3 ; k = 0,027 W/mK ; k = 16,73 10- 6 m 2/s
k = 1/T = 1/310,5 ; Prk = 0,7; Tiêu chuẩn Gr của không khí: Gr= g.β.Δt.d3 γ2 =9,81.(0,046)3.(50−25) 310,5.16,732.10−12 =0,275.106 (Grk . Prk) = 0,275.106 .0,7 = 0,1925.106 500 < (Grk . Prk) <2. 105
Khi đó hệ số toả nhiệt α được xác định từ phương trình Nu là:
Nu = C(Grm . Prm )n Nu = 0,54(0,1925.106 )0,25 = 11,3
α2=
Nuf.λf
dE =11,03.0,046,027 =6,63 W/m2 K
Ở đây d2 / d1 = 80 / 75 = 1,07 < 1,4. Vậy hệ số được tính theo như bài toán vách phẳng kF1= 1 1 α1 +δλ +α21.εc Hệ số làm cánh c được tính: εc=1+ nc(d c2−d 22) 2.d1.l εc=1+1143(0,092−0,082) 2.0,075.4 =4,24
Hệ số toả nhiiệt α1 khi ngưng hơi trong ống nằm ngang ở áp suất 4at tương ứng với nhiệt độ ngưng tụ là t1’ = 143oC:
α1=0,72. 4 √ r.ρ.gλ3 γ.d.(ts−tW) Trong đó: g – là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s. λ – là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng W/m2K.
r - nhiệt ẩn hoá hơi, J/kg
γ - độ nhớt động học của chất lỏng, m2/s.
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3. d1 - đường kính trong của ống, m.
Δt - Độ chênh lệch nhiệt độ, t = tS – tW
ts - Nhiệt độ bão hoà tương ứng áp suất ngưng tụ p = 4 at. tw - Nhiệt độ bề mặt vách.
Ứng với nhiệt ngưng tụ của hơi nước tn = 143oC ở áp suất ngưng tụ p = 4at. Tra bảng thông số vật lý của nước trên đường bão hoà ta được:
r = 2423 kJ /kg = 994,7 kg /m3
= 62,3.10-2 W / m .K = 0,761.10-6 m2 / s
Ở đây ta chưa biết nhiệt độ vách tw, vì giá trị α1 sẽ lớn hơn α2 rất nhiều chọn Δt=1oC từ đó: αn=0,72. 4 √2423.994,7.9,81.0,6233 0,761.0,046.1 =81,4 n = 81,1 W / m2K 1 = 1,2.n = 1,2.81,4 = 97,68 W/m2K Hệ số toả nhiệt α1=97,68 W/m2K. Với = 0,5 ( d2 – d1 ) = 0,5 (80 –75 ) = 2,5 mm kF1= 1 1 97,68 +450,0025 +6,63.41 ,24 =21,8W/m2K
Vậy tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của calorifer là:
F1=
Q
kF1.Δt =15800021,8.102=71m2
Vậy diện tích theo 4m chiều dài ống:
F1 = F0 + Fc = 0,862 + 3,05 = 3,912 m2
Vậy số ống n được xác định như sau:
n = F/F1 = 71/ 3,912 = 18 ống Tổng chiều dài của ống có cánh là:
Để thiết bị thích hợp với buồng sấy ta chọn 2 hàng ống so le nhau. Vậy chiều rộng của thiết bị sẽ là:
b = n.(dc + s) = 9.(90 + 30)/2 =0,54 m;
Vậy chiều cao của giàn ống với khoảng cách ống theo chiều cao là 20mm, là: H = 0,1 + 2.0,09 =0,28 m;
Xác định lại hệ số truyền nhiệt của của chùm ống được bố trí so le như sau: α=
α1+ α2+ (n−2)α3 n
Với α1, α2 là hệ số toả nhiệt của hàng ống thứ nhất, thứ hai;
α3 là hệ số toả nhiệt tương đương toàn bộ bề mặt ngoài của vách có cánh. Với 1= 0,7.3 : 2= 0,9.3 ; 3 = 6,63 W / m2K. = 3 = 6,63 W/m2K hình 4.2. Calorifer khí - hơi 4.2. Tính chọn lò hơi.
Lò hơi (hay còn gọi là nồi hơi ) là thiết bị sinh hơi được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế như ở các nhà máy nhiệt điện, tại các nhà máy chế biến…và các hệ thống sấy cũng sử dụng nồi hơi sản xuất hơi nóng làm chất tải nhiệt cũng rất phổ
biến. Trong đồ án này chất tải nhiệt cũng là hơi nước nên việc tính toán thiết kế cũng phải tính chọn hệ thống nồi hơi cho phù hợp.
Nồi hơi là thiết bị sinh hơi bằng cách cấp nhiệt cho nước làm nước nóng lên sinh hơi. Nhiên liệu dùng để đốt nóng nước người ta thường dùng: dầu (DO, FO), than. Tuy nhiên để đem lại hiệu quả kinh tế thì ta thay vì dùng than làm chất đốt thì ta dùng củi gỗ của nhà máy, tận dụng lại những phế liệu gỗ. Nước trước khi được đưa vào nồi hơi phải được làm mềm, xử lý sạch và ta tận dụng lại lượng nước ngưng khi ra ở các buồng sấy hồi lưu trở lại nồi hơi.
Để tính chọn được nồi hơi trước hết ta phải tính được lượng hơi dùng để cung cấp nhiệt còn cung cấp ẩm ta chọn lượng hơi cung cấp ẩm đủ trong quá trình sấy. Vì vậy ta chỉ cần tính sản lượng hơi cho quá trình sấy còn các ảnh hưởng khác ta sẽ chọn. Sau khi tính được sản lượng cần thiết dựa vào đó ta chọn được nồi hơi sản xuất trên thực tế.
Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nồi hơi.
1 – nhiên liệu vào; 2 - quạt; 3 – balong hơi + nước; 4 – balong nước; 5 - hệ thống ống xem mức; 6 - ống hút khói ra ngoài; 7 - đồng hồ đo áp suất; 8–hơi cấp; 9 - các van an xem mức; 6 - ống hút khói ra ngoài; 7 - đồng hồ đo áp suất; 8–hơi cấp; 9 - các van an toàn; 10 - đường xả đáy; 11 - đường nước cấp.
Để chọn được nồi hơi phù hợp trước tiên ta phải tính được lượng hơi cần thiết cung cấp cho buồng sấy là bao nhiêu. Khi biết nhiệt lượng tiêu hao và áp suất làm việc của hơi nước đi trong ống ta có thể tính lượng hơi cần thiết như sau:
G= Q
η.rkg/h
Trong đó:
Q – là tổng lượng nhiệt tiêu hao trong giai đoạn 1, Q = 1118718,5 kJ/h; η - hiệu suất nhiệt của calorifer, chọn η = 0,95;
r - nhiệt ẩn hoá hơi của hơi nước ứng với áp suất 4at tra được r = 2133 kJ/kg. Vậy: G=
573904,22
0,95.2133=283kg/h
Khi biết lượng hơi nước cần cung cấp cho nồi hơi, dựa vào catolog để ta tra được nồi hơi đáp ứng đúng yêu cầu với các thông số như sau:
Đặc tính kỹ thuật: Kiểu nồi hơi đốt than - Kiểu ống nước, tuần hoàn tự nhiên - Hai balông bố trí theo chiều ngang - Ghi tĩnh
- Cấp củi, thải xỉ thủ công - Hiệu suất 80%
- Nhiên liệu: Than củi Mã hiệu
Năng suất sinh hơi tối
đa (kg/h) Áp suất làm việc lớn nhất (bar) Áp suất thử lớn nhất (bar) Nhiệt độ hơi bão hoà
(oC)
Hình 4.4. Hình dạng nồi hơi