Trở lực thủy động (gia tốc)

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BUỒNG LỬA VÀ DÀN ĐỐI LƯU

4.1. Tính chọn các thiết bị cho lị hơi

4.1.3.4. Trở lực thủy động (gia tốc)

Trở lực tạo nên khi động năng của khói thay đổi.

 22 2 2211 1 Δh = n. . ρ .ωρ .ω (N/m ) 2 a  Trong đó:  n: Số ống lửa, n = 19.

 ρ , ω1 1: Khối lượng riêng và vận tốc của khói ở cửa vào. 1

ρ = 0,33 (kg/m3) (Tra bảng thông số vật lý của khói ở nhiệt độ 800 oC). 1

ω = 5 (m/s).

 ρ , ω22: Khối lượng riêng và vận tốc của khói ở cửa ra.

2

ρ = 0,748 (kg/m3) (Tra bảng thơng số vật lý của khói ở nhiệt độ 200 oC).

2 ω = 4 (m/s). Thế các số vào cơng thức ta có:  22 2 a 1 Δh = 19. . 0,748.40,33.5 = 35,32 (N/m ) 2 4.1.3.5. Trở lực dịng khói cắt qua cụm ống 2 2 2 0,142 c 1 S 0,8 ω d Δh = 0,53. .Z.Re .ρ. (N/m ) S 2 1 d              Trong đó:  Z: Số dãy ống, Z = 5.  d: Đường kính ống lửa, d = 0,048 (m).

 S1, S2: Bước ống đứng/ngang của ống lửa, S1 = S2 = 0,09 (m).

 Re = 3145,48 [Tính được ở mục 4.3.1].

41

 ω : Vận tốc khói trong ống lửa, ω = 5 (m/s). Thế các số vào cơng thức ta có: 2 2 0,142 c 0, 09 0,8 5 0, 048 Δh = 0,53. . 5. 3145,48 . 0,457. = 7,4 (N/m ) 0, 09 2 1 0, 048                Vậy tổng trở lực: tongms 1ms 2cbc Δh=Δh+Δh+Δh +Δh +Δha 2 = 94,97+205,54+89+35,32+7,4= 432,23 (N/m ) 4.1.4.Tính chọn quạt gió

4.1.4.1. Lưu lượng của quạt gió

 kkl  3  gg 1maxblblkk t+273 760 V = k .B. αΔα .V ..m /h 273b  Trong đó:  kg 1: Hệ số dự phòng, lấy bằng 1,2 [8].

 Bmax: Lượng tiêu hao nhiên liệu khi làm việc ở công suất định mức (kg/h). Bmax = 11 (kg/h).

 αbl: Hệ số khơng khí thừa ở buồng lửa. Buồng lửa ghi nên chọn αbl = 1,25.

 ∆αbl: Phần khơng khí thừa lọt vào buồng lửa. ∆αbl = 0,2.

 Vkk: Thể tích khơng khi để đốt cháy viên nén, Vkk = 4,094 (m3/kg).

 tkkl: Nhiệt độ khơng khí lạnh đưa vào lò hơi. tkkl = 30,4oC.

 b: Áp suất khơng khí. b = 760 mmHg. Thế các số vào cơng thức trên ta có:

 3  g 30,4+273 760 V =1,2.11. 1,25 0,2 .4,094..63,1 m /h 273760 

42

4.1.4.2. Áp suất đầu đẩy của quạt gió

2 gg 2tong

H = k .Δh(N/m )

Trong đó:

 kg 2: Hệ số dự phịng, lấy bằng 1,2. Thế các số vào cơng thức trên ta có:

2 g

H = 1,2.432,23= 518,68 (N/m )

4.1.4.3. Cơng suất quạt gió

gg gg 3 g V . H N = k .(W) 3600.η Trong đó:  kg 3: Hệ số dự phòng, lấy bằng 1,2 [7].

 ηg: Hiệu suất quạt gió, lấy bằng 0,6 ÷ 0,7 Thế các số vào cơng thức trên ta có:

g

63,1. 518,68

N = 1,2.= 18,18 (W)

3600.0,6

4.1.4.4. Cơng suất động cơ của quạt gió

g dcg 4 d N N = k .(W) η Trong đó:  kg 4: Hệ số dự phòng, lấy bằng 1,2 [8].

 ηd: Hiệu suất quạt gió, lấy bằng 0,9 ÷ 0,95. Thế các số vào cơng thức trên ta có:

dc

18,18

N = 1,2.= 24,24 (W)

43

Hình 4. 3. Catalog quạt công nghiệp VINAZAN.

(Nguồn: vinazan.vn)

Chọn quạt ly tâm thấp áp QT của công ty Ebara, theo catalog của tài liệu [10], ta chọn model: QT-044S có:  Công suất: 0,18 kW.  Lưu lượng: 2850 m3/h.  Cột áp: 95 Pa.  Số lượng: 1 quạt. Hình 4. 4. Quạt ly tâm thấp áp QT. (Nguồn: vinazan.vn)

44

4.1.5.Van an toàn

Van an toàn là thiết bị dùng để khống chế áp suất lị hơi khơng để vượt quá giới hạn cho phép có thể phá huỷ thiết bị lò hơi. Việc thiết bị và đường ống hoạt động quá áp là rất nguy hiểm. Khi làm việc bình thường van an tồn đóng, khi áp suất vượt quá phạm vi cho phép thì van an tồn tự động mở xã bớt hơi ra ngoài làm cho áp suất giảm xuống mức cho phép, lúc đó van an tồn tự động đóng lại. Vì vậy, ta phải chọn loại van an tồn có giải áp suất trong phạm vi áp hoạt động của lò hơi để người vận hành dễ chỉnh áp trong khi vận hành. Ta có điều kiện an tồn: D' n.d.h = A. p' Trong đó:

 n = 2 số van lắp trên nồi hơi (theo TCVN, số van an tồn ít nhất là 2 van).

 d: đường kính lỗ thơng của van.

 h ≤ 0,25.d : chiều cao nâng van (chọn van loại nâng lên hoàn toàn).

 A = 0,015, hệ số kết cấu của van.

 D’ = 1,25. D = 1,25. 40 = 50 (kg/h).  p’ = 1,2. P = 1,2. 10 = 12 (kG/cm2). Do đó: 4.A.D'4.0,015.50 d === 0,35 (cm) = 3,5 (mm) n.p'2.12

Để đảm bảo an tồn ho lị hơi, ta chọn van an tồn có đường kính thơng hơi là 7mm.

45

Hình 4. 5. Van an toàn TUV-SV.1090 S/G.

(Nguồn: Herose.com)

Ta chọn van an toàn TUV-SV.1090 S/G GW 1/4 của hãng HEROSE [11]

 Giải áp suất cài đặt: 0,4 ÷ 43 bar.

 Đường kính loại 7mm.

 Chiều cao 60mm, nặng 0,07 kg.

 Số lượng: 2 van.

46

4.1.6.Van hơi chính

Với cơng suất lị hơi là 40 (kg/h) và áp suất thiết kế là 10 bar, nên ta có thể chọn vận tốc hơi qua ống hơi chính là v = 15 (m/s) (v = 15 ÷ 40 m/s);

Tương ứng với áp suất 10 bar, tra bảng Thông số vật lý của hơi nước trên đường bão hịa, ta có: thể tích riêng của hơi bão hịa ρ” = 5,157 (kg/m3).

Do đó lưu lượng hơi qua lỗ van hơi là: 3 hoi

D 40

Q = = = 7,76 (m /h)

ρ" 5,157 Đường kính lỗ thơng hơi:

2 hoi

1

Q= v.S= v. .π.d

4

Suy ra: d= 4.Qhoi = 4.7,76 = 0,014 (m) = 14 (mm) v.π 3600.15.3,14

Ta chọn van hơi chính cho lị hơi là van cầu có đường kính lỗ loại DN10 với phi 17,15 (mm).

Hình 4. 7. Van cầu Hitachi M10KFGB.

47 Dựa trên Catalog [12], ta chọn van cầu Hitachi với model M10KFGB có:

 Vật liệu: Ductile Iron FCD-S (gang dẻo).

 Kích thước: DN10.  Kết nối: mặt bích.  Áp suất: 1,4 MPa.  Nhiệt độ: -29oC đến 200o C. 4.1.7. Các phụ kiện khác

 Đồng hồ đo nhiệt độ khói

Đồng hồ đo nhiệt độ lò hơi được chuyên dùng trong các lò hơi, nồi hơi sử dụng trong công nghiệp với các ngành chuyên về thực phẩm, cơng nghiệp chế biến… để theo dõi chính xác nhiệt độ trong lị hơi.

Hình 4. 8. Đồng hồ đo nhiệt độ khói của hãng Daewon.

(Nguồn: donghoapsuat.org)

Với nhiệt độ khói thải đã tính chọn như trên là 200oC. Ta chọn loại đồng hồ đo khói ra có nhiệt độ đo tối đa là 250oC, có đường kính mặt đồng hồ 100mm như hình trên.

48

 Áp kế

Hình 4. 9. Đồng hồ đo áp suất và cấu tạo ống siphon hãng Georgin.

(Nguồn: donghoapsuat.vn)

Chọn loại đồng hồ kiểu màng hãng Georgin có đường kính mặt trịn là 160mm, có thang đo áp suất cao nhất là 15 kG/cm2

.

Đồng thời chọn ống siphon để giảm nhiệt độ để bảo vệ đồng hồ áp suất, chọn siphon hãng Georgin có đường kính DN20 và dài khoảng 200mm.

 Cảm biến đo mức nước

Dùng để đo mức nước trong lò đảm bảo dao động trong phạm vi cho phép, mức nước cao quá sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hơi, mức nước thấp quá sẽ khơng an tồn cho bề mặt truyền nhiệt.

Chọn cụm kính thủy lị hơi loại mặt bích đứng có:

 Size: 165 x 34 x 17.

 Nhiệt độ chịu được tối đa: 400oC.

 Áp suất chịu tối đa: 40 bar.

 Ống kết nối lò hơi với van kính thủy loại DN25.

49

Hình 4. 10. Cảm biến đo mức nước lò hơi.

(Nguồn: cambiendoapsuat.vn)

Chọn cảm biến đo mức nước:

 Số lượng: 3.

 Đường kính ống cảm biến là phi 8.

 Nhiệt độ làm việc 200oC.

 Nguồn cấp: 24V DC.

 Sử dụng tín hiệu ngõ ra: 4 – 20 mA.

 Sai số: ± 2mm.

Có màng hình calib để tùy chọn dãy đo, hiệu chỉnh.

 Đồng hồ đo lưu lượng nước

Theo catalog tài liệu [8], bơm đã chọn trên có đường kính ống nước vào và ra là DN20, như vậy ta chọn đồng hồ loại có đường kính DN20 tương ứng. Ta cũng sẽ chọn đường kính ống nước loại DN20 để dễ lắp đặt.

50

Hình 4. 11. Đồng hồ đo lưu lượng nước loại DN20.

(Nguồn: komax.net.vn)

 Cụm van xả đáy

Cụm van xả đáy sẽ được lắp đặt với 2 loại van là van cầu và van bi. Chọn 2 van có đường kính lỗ thốt DN25. Ta chọn 1 van cầu và 1 van bi (van xả nhanh), van cầu sẽ lắp đặt trước van bi.

Hình 4. 12. Van cầu thép size DN25 của hãng ALS.

51 Van xả nhanh ta cũng chọn của hãng ALS [13] với model: Van xả đáy PN25 có thơng số kĩ thuật sau:

 Lưu chất: hơi nóng.

 Vật liệu thân: thép GS – C25.

 Nhiệt độ làm việc tối đa: 350oC.

 Kích thước: DN25.

 Van xả air

Chọn 1 van có đường kính lỗ thốt DN20. Model van: TA – 22 [14] có:

 Vật liệu: inox.

 Kiểu kết nối: ren.

 Áp suất làm việc: 16 bar.

 Nhiệt độ làm việc tối đa: 120oC.

 Số lượng: 1.

 Bảo ơn lị hơi

Vì lị hơi là thiết bị mang nhiệt lớn nên để tránh tổn thất khi vận hành, ta phải bọc cách nhiệt (bảo ơn) cho lị hơi. Với lị hơi hơi này, ta bọc bảo ơn bằng bơng khống có hệ số dẫn nhiệt nhỏ (𝜆 = 0,034 W/m.oC), loại tấm 100kg/m3, dày 50mm.

52

Bảng 4.1. Danh sách các thiết bị đã chọn cho lò hơi.

STT Tên thiết bị Số

lượng Model

1 Bơm nước cấp 1 EVM 3 18F5/2.2 (M)

2 Quạt gió 1 QT-044S, P = 0,18kW

3 Van an toàn 2 TUV-SV.1090 S/G GW 1/4

4 Van hơi chính 1 Van cầu Hitachi M10KFGB

5 Đường kính ống khói 1 Loại 100mm

6 Đồng hồ đo nhiệt độ 1 Loại tmax = 250 oC, size mặt: 100mm 7 Đống hồ đo áp suất 1 pmax = 15bar, size mặt: 160mm

8 Ống Siphon 1 Đường kính DN20, dài 200mm

9 Cụm kính thủy 1 Size: 165 x 34 x 17,

tmax = 400 oC, pmax = 40 bar 10 Cảm biến đo mức 3 Size ống: phi 8, tmax = 200 oC

11 Van xả air 1 TA – 22 có size DN20, pmax = 16bar

12 Van xả đáy 2 PN25 với size DN25

13 Đồng hồ đo nước 1 LXSG – 20 với size DN20 14 Đường ống nước --- Size DN20

15 Bảo ơn lị hơi --- Dạng tấm, dày 50mm

4.2. Tính kiểm tra sức bền lị hơi

Vì lị hơi là thiết bị có nhiệt độ cao, áp suất cao nên vật liệu chế tạo lò phải là vật liệu chịu nhiệt và áp lực cao để đảm bảo độ bền cho lị và độ an tồn tuyệt đối khi vận hành lò hơi. Sau đây, ta sẽ kiểm tra độ bền cho các thiết bị của lị hơi.

4.2.1. Tính sức bền cho thân lò hơi [7]

Để chế tạo thân lò, ta dùng thép tấm chịu nhiệt loại C25 có chiều dày là 15mm.  Vì nhiệt độ khói < 600oC, ta có nhiệt độ tính tốn

tv = tb + 1,2S + 10, oC Trong đó:

53

 tb: nhiệt độ bão hòa của hơi nước, với áp suất thiết kế là 10 bar, tb = 180 oC.

 S: chiều dày sơ bộ, mm.

Do đó: tv = 180 + 1,2. 15 + 10 = 208 o C

Nhưng theo thực nghiệm, tv không nên chọn nhỏ hơn 250o C. Vì vậy chọn tv = 250 oC.

 Suy ra ứng suất cho phép ứng với thép C25 theo TL [8]/ trang 153, ta có: σ* = 14,7 (kg/mm2).

Ứng suất cho phép: σ = σ* = 14,7 (kg/mm2)  Chiều dày thân lò

n thân P.D S=+ C (mm) 200.φ.σ + P Trong đó:

 Dn: Đường kính ngồi của thân lị, Dn = 850 +2.15 = 880 (mm)

 p: Áp suất thiết kế, p = 10 (bar).

 φ: Hệ số bền vững, chọn φ = 0,7.

 C: Dung sai âm lớn nhất, C = 1. Do đó: thân

10.880

S = +1= 5,26 (mm)

200.0,7.14,7+10

Vậy với chiều dày S = 15 (mm) đã chọn đảm bảo được độ bền cho thân lị.

4.2.2. Tính sức bền cho ống lửa [7]

Với ống lửa lị hơi như đã tính chọn ở trên, ta chọn loại thép trịn có ϕ42mm với chiều dày là 3,2mm. Loại thép để chế tạo ống lửa là loại thép chịu nhiệt C25.

 Nhiệt độ tính tốn của ống lửa tv = tb + 4.S + 60 (oC)

= 180 + 4. 3,2 + 60 = 252,8 (oC).

54  Ứng suất cho phép ứng với thép C25: σ* = 14,62 (kg/mm2)

Ứng suất cho phép: σ = 0,5. σ* = 7,31 (kg/mm2)  Chiều dày ống lửa

tr onglua tr P. D a.l.σ S = . 1+ 1+ +2 (mm) 400.σ P.(D + l)       Trong đó:

 Dtr là đường kính trong ống lửa, Dtr = 48 – 3,2 = 44,8 (mm).

 l là chiều dài ống lửa, l = 1050 (mm).

 a = 3,75 đối với ống lửa thẳng đứng.

 p là áp suất thiết kế, p = 10 (bar) Do đó: onglua 10. 44,8 3,75.1050.7,31 S = . 1+ 1+ + 2 = 2,45 (mm) 400.7,31 10.(44,8 + 1050)      

Vậy với chiều dày S = 3,2 (mm) đã chọn đảm bảo được độ bền ống lửa cho lò này.

4.2.3. Tính sức bền mặt sàng [7]

Với lị hơi này ta có 2 mặt sàng, 1 mặt sàng nằm trên (nắp balong hơi) với các lỗ được khoét để cho ống lửa và 1 mặt sàng nằm dưới. Theo thực nghiệm, ta chọn chiều dày sơ bộ của cả 2 mặt sàng này là 30mm. Ta sẽ kiểm tra sức bền từng mặt sàng.

4.2.3.1 Mặt sàng dưới

 Vì mặt sàng dưới nằm trong vùng có nhiệt độ khói 600oC < tk ≤ 900oC. Nên ta có nhiệt độ vách của mặt sàng dưới

tv = tb + 2,5S + 20, oC

= 180 + 2,5. 30 + 20 = 275 oC.

 Suy ra ứng suất cho phép ứng với thép C25 tra theo bảng, ta có: σ* = 14 (kg/mm2).

Vậy ứng suất cho phép: σ = 0,6. σ* = 8,4 (kg/mm2).  Với lị hơi này, các ống lửa chính là những thanh giằng.

55 Chiều dày mặt sàng được tính theo cơng thức sau:

22 matsang 1 p.(a +b ) S = K. (mm) 100.σ Trong đó:

 K = 0,41 là hệ số gia cường bới các thanh giằng.

 p = 10 bar là áp suất thiết kế.

 a, b: lần lượt là bước ống ngang và dọc ống lửa, a = b = 90 (mm).

Do đó: 22 matsang 1 10.(90 +90 ) S = 0,41. = 5,7 (mm) 100.8,4

Vậy với S = 30 (mm) đã chọn đảm bảo được độ bền mặt sàng trên.

4.2.3.2. Nắp balong hơi

 Nhiệt độ tính toán: tv = tb = 180 oC.

 Suy ra ứng suất cho phép với thép C25 tra theo bảng, ta có: σ* = 15,25 (kg/mm2).

Vậy ứng suất cho phép: σ = σ* = 15,25 (kg/mm2)  Chiều dày nắp balong hơi được tính theo công thức sau

matsang 2tr

p

S = K.D . (mm)

100.σ Trong đó:

 K = 0,41 là hệ số gia cường bới các thanh giằng.

 p = 10 bar là áp suất thiết kế.

 Dtr: Đường kính của mặt sàng chính là đường kính trong của thân lị hơi, (mm). Dtr = 850mm. Do đó: matsang 2 10 S = 0,41.850. = 28,22 (mm) 100.15,25

56 Với các thống số cơ bản của lị hơi đã được tính tốn thiết kế như trên, ta có thể thiết lập được bãn vẽ chế tạo của lò hơi như hình 4.14 bên dưới. Hình 4.14 thể hiện đầy đủ các chi tiết chế tạo và lắp đặt lị, nó đáp ứng đủ điều kiện về thơng số kĩ thuật và đề bài yêu cầu.

Hình 4. 14. Bản vẽ thiết kế các chi tiết lò hơi.

4.3. Thiết kế mạch điện cho lò hơi

4.3.1. Yêu cầu về mạch điện

4.3.1.1. Yêu cầu về mạch động lực

 Sử dụng nguồn cấp 3pha/380V cho bơm nước cấp và cho quạt gió.

 Có thiết bị bảo vệ pha, bảo vệ mạch khi có sự cố.

 Có đèn báo pha, thơng báo khi có sự cố của hệ thống.

 Dùng 2 ampe kế để đo dịng điện của bơm nước và quạt gió.