1 .2.2 Phân loại lò hơi
2.4. Tính toán khí động lò hơi
Mục đích của tính toán khí động là để chọn quạt gió và quạt khói cho lò hơi trên cơ sở xác định lượng gió và khói và toàn bộ trở lực của đường gió, đường khói. Ngoài ra trong quá trình tính toán có thể tối ưu hóa các bộ phận và đoạn đường khói và không khí sao cho chi phí tính toán là nhỏ nhất, cung cấp các dữ kiện để thiết kế đường khói và đường không khí.
CHU'ƠNG 3. TÍNH TOÁN THIÉT KÉ 3.1. Nhiên liệu và cân bằng nhiệt trong lò hơi 3.1.1. Thể tích của không khí và sản phẩm cháy
Tất cả các thể tích và entanpi của không khí và sản phẩm cháy (khói) đều tiến hành với 1 kg nhiên ở điều kiện tiêu chuẩn
Thể tích không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu được xác định theo công thức:
V0 = 0,0899(Clv + 0,375 ⋅ Slv) + 0,265 ⋅ Hlv − 0,0333 ⋅ 0lv
= 0,0899 ⋅ (85,3 + 0,375 ⋅ 0,5) + 0,265 ⋅ 10,2 − 0,0333 ⋅ 0,7
= 10,365Nm3/kg
Thể tích không khí lý thực tế đã đốt dầu FO:
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hệ số không khí thừa lấy giới hạn từ 1,08 - 1,15 Chọn = 1.1
Thể tích khí 3 nguyên tử: VRO 2 Thể tích khí Nitơ: V0 N2 Clv + 0,375. Slv = 1,866 ⋅ 100 85,3 + 0,375.0,5 = 1,866 ⋅ 100 = 1,595Nm3/kg = 0,79. V0 + 0,008. Nlv = 0,79.10,365 + 0,008.0,7 = 8,194Nm3/kg
Thể tích lý thuyết của hơi nước:
VH0
2O = 0,111. Hlv + 0,0124 Wlv + 0,0161 V0
= 0,111.10,2 + 0,0124.3 + 0,0161.10,365
= 1,336Nm3 /kg
Thể tích của hơi nước:
VH2O = VH02O + 0,0161. ( − 1)V0 = 1,336 + 0,0161. (1,1 − 1) ⋅ 10,365 = 1,353Nm3 /kg Tổng thể tích sản phẩm cháy là: V = V k RO = 1,595 + 8,194 + (1,1 − 1) ⋅ 10,365 + 1,353 = 12,189Nm3/kg
Tỷ lệ thể tích của khí ba nguyên tử bằng áp suất riêng phân của khí ở áp suất chung là 1 bar
Tỷ lệ khí 3 nguyên tử với khói thải
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
r
RO
1,595
=12,189 = 0,131
Tỷ lệ hơi nước với khói thải
1,353
=12,189 = 0,111
Bảng 3.1. Kết quả tính toán thể tích không khí và sản phẩm cháy
V0 Nm3 /kg 10,365 r H2O 0,111
3.1.2. Entanpi của không khí và sản phẩm cháy
Entanpi của khói đối với 1 kg nhiên liệu được xác định bởi công thức:
Ik = Ik0 + ( − 1) ⋅ I0
Trong đó:
• Ik0 : Entanpi của khỏi lý thuyết khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu với
= 1
Ik0 = VRO2 ⋅ (c )CO2 + VN02 ⋅ (c )N2 + VH02O ⋅ (c )H2O
• c: Nhiệt dung của các loại khí (kcal/kg)
• : Nhiệt độ của các loại khí ∘C
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Sử dụng các thông số ở bảng Entanpi của sản phẩm cháy và không khí của nhiên liệu để tính Ik ta có bảng kết quả theo nhiệt độ:
Bảng 3.2. Kết quả tính toán Entanpi theo nhiệt độ
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.1. Đồ thị nhiệt đọng sương của khói phụ thuộc vào nồng độ lưu huỳnh
Với thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu là 0,5% ta có thể chọn sơ bộ nhiệt khói thảik = 200∘C với nhiệt độ đọng sương là 130∘C
Cân bằng nhiệt được thiết lập đối với chế độ nhiệt ổn định của lò hơi cho 1 kg nhiên liệu.
Phương trình cân bằng nhiệt:
01=1+2+3+4+5+6( / )
Trong đó:
• 01 : Nhiệt lượng dẫn vào lò hay tổng nhiệt (kJ/kg)
• 1: Nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh ra hơi (kJ/kg)
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
• Q3 : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học (kJ/kg) Q4 : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học (kJ/kg)
• Q5 : Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt tùù̀mặt ngoài tường lò ra không khí xum quanh (kJ/kg)
• Q6 : Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài (kJ/kg)
3.1.4. Nhiệt lượng dẫn vào lò.
Nhiệt lượng dẫn vào lò được xác định theo công thức.
01 = th1 + k +n + f(kJ/kg)
Trong đó:
• th1 : Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu V ới nhiên liệu là dầu FO ta có:
1 = 339 ⋅ lv + 1030 ⋅ lv − 109 ⋅ (0lv − Slv ) − 25 Wlv
th = 339 ⋅ 85,3 + 1030 ⋅ 10,2 − 109 ⋅ (0,7 − 0,5) − 25.3
= 39325,90 kJ/kg
• Qk : Nhiệt lượng do không khí sấy nóng từ bên ngoài mang vào lò hơi Lò hơi không sử dụng bộ sấy không khí nên = 0
• : Nhiệt lượng vật lý của nhiên liệu
in = cn. n = 0,469.90
=42,21kcal/kg = 176,60 kJ/kg
• Qf : Nhiệt lượng do hơi phun sương dầu FO mang vào lò hơi. Lựa chọn phương pháp tán sương kiểu áp lực =
0
Nhiệt lượng dẫn vào lò 01 = 39325,9 + 0 + 176,606 + 0 = 39502,51 kJ/kg
3.1.5. Các tổn thất nhiệt trong lò hơi
Các tổn thất nhiệt trong lò hơi được biểu thị bằng giá trị tương đối
=
01⋅ 100%
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Lượng tổ thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi q2
Q
q2 =
• : Entanpi của khói với không khí thừa và nhiệt độ ( kJ/kg). Vớik = 200∘C tra bảng 3.2 Kết quả tính toán Entanpi theo nhiệt độ ta có:
= 803,4(kcal/kg) = 3361,426( kJ/kg)
• k: Hệ số không khí thừa k = 1,1
• I10 :Entanpi của không khí lạnh lý thuyết
I0 = V0. (C.t
1
= 98,26kcal/kg = 411,121 kJ/kg
• q4 : Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học. Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên q4 = 0
2=
(3361,426 − 1,1.411,121) ⋅ (100 − 0)
39502,51
Lương tổn thát nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học q3
3
3= ⋅100%
Nhiên liệu đốt là dầu FO:3 = (1 ÷ 1,5)%. Chọn3 = 1% Lương tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ
học qu
Q4
q4=Q10⋅ 100%
Nhiên liệu đốt là dầu FO
4= 0
Lương tổn thát nhiệt do toả nhiệt tì mạt ngoài tưòng lò ra không khí xung quanh q5
Theo kinh nghiệm thực tiến chọn sơ bộ:
• Nhiệt độ bề mặt lò hơi: s = 70∘C = 343∘K
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
• Nhiệt độ môi trường a = 30∘C = 303∘K
• Tốc độ gió: vm = 2 m/s
• Chọn lượng nhiên liệu tiêu hao B = 75 kg/h
• Chiều dài lò L = 3,3 m
• Đường kính lò D = 1,7 m
Diện tích Lò hơi
F= ⋅D⋅L+2⋅
Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh
= 0,548 ⋅ [( 5 = 0,548 ⋅ [( = 821,587 W/m2 = 706,565kcal/m2 = 11398,304kcal = 47690,504 kJ Vậy: 47690,50.100 = = 1,62% 5 39325,90.75
• Hệ số bảo toàn nhiệt năng:
= 1 −
Lương tổn thát nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài q 6
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên 6= 0
Tổng các tổn thát nhiệt trong lò hơi:
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
3.1.6. Hiệu suất và nhiên liệu tiêu hao của lò hơi
• Hiệu suất lò hơi
= 100 − ∑ = 100 − 9,98 = 90,02%
• Nhiệt lượng có ích.
1 = ⋅ 01 = 90,02% ⋅ 39325,9 = 35401,175kcal/kg
100 100
• Tiêu hao nhiên liệu cho lò hơi.
= ⋅( − )
⋅
Với p = 14.7 (bar) Tra bảng nước và hơi bão hoà, nội suy ta có : Ta có: i′ = 840.22 kJ/kg
i''=2791.4 kJ/kg
Với p = 14,7 (bar) và tnc = 30∘C. Tra bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt [TL3-T520] và nội suy. Ta có: inc = 126,98 kJ/kg
B =
• Tiêu hao nhiên liệu tính toánq
4
Bt = B. (1 − ) = 75,26 kg/h
Bảng 3.3. Kết quả tính toán tổn thất nhiệt.
1(kJ/
0
kg)
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
3.2. Xác định sở bộ kích thước của lò hơi 3.2.1. Diện tích bề mặt truyền nhiệt của lò hơi.
• Lò hơi sử dụng là lò hơi phối hợp ống lò ống lửa có suất sinh hơi
0= = 40 kg/m2 h
• Diện tích sơ bộ của lò hơi
D 1000
F =D0 = 40 = 25 m2
• Nhiệt thể tích tiết diện ngang
B ⋅ Qlvt
qF = Fbl
Với qF = 3500 ÷ 6000 kW/m2 Chọn qF = 3500 kW/m2
• Diện tích tiết diện ngang buồng lửa
Fbl =
• Đường kính buồng lửa là
Dbl = √Fbl⋅ 4= √0,235 ⋅ 4= 0,547 m2
3.2.2. Xác định kích thước ống lò.
Vật liệu chế tạo: Ông lò là vật liệu tiếp xúc trực tiếp với lửa ở nhiệt độ cao nên dùng loại thép cacbon chuyên dụng là loại thép có mã hiệu 20 K được cuốn thành hình trụ và hàn dọc thành đường liền suốt
Xác định kích thước: Dựa vào đồ thị dưới đây ta chọn chiều dài ngọn lửa sơ bộ khoảng 2 m. Chiều dài ngọn lửa sẽ chiếm từ 75 − 80% chiều dài cả
ống lò ,vì vậy chiều dài ống lò trong trường hợp này chọn là 2,5 m
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.2. Đồ thị xác định chiều dài ngọn lửa
• Thể tích buồng lửa V bl • Đường kính ống lò dol = √ • Diện tích bức xạ trong lò Fbx = . dol⋅ = . 0,548.2,5 = 4,3 m2 3.2.3. Xác định kích thước ống lửa
Vật liệu chế tạo: Ông lửa là bộ phần tiếp xúc với khói nóng nên dùng thép cacbon chất lượng cao, sử dụng thép mã hiệu C20 dày 2,5mm
Xác định kích thước
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
• Chiều dày vật liệu 2,5mm
• Đường kính trong dtr = 46 mm
• Chiều dài ống lửa ở pass 2: 2,5 m
• Chiều dài ống lửa ở pass 3: 2,8 m
• Diện tích đối lưu
Fdl = F − Fbx = 25 − 4,3 = 20,7 m2
• Tổng số mét chiều dài ống
l =
dl
• Tổng số ống lửa tối thiểu là.
n = ldl =143,24= 51.16 2,8 2,8 Chọn tổng số ống lửa là 52 ống • Bước ống ngang t Ta có t = 1 ÷ 1,5 Chọn t = 1,4 ⇒ t = 1,4.2.0,051 = 0,15 m 2.d 2.d
Trong đó : dng = 0,051( m) đường kính ngoài của ống lò
• Bước ống dọc
Ta cón = 2 ÷ 3 Chọnn = 2,9 ⇒ n = 2,9.0,051 = 0,15 m
d d
• Để tiện cho việc lắp ráp và chế tạo ta chọn số ống pass 3 nhiều hơn pass
2 Số ống lửa trên pass 2 là: 22 ống Số ống lửa trên pass 3 là 30 ống Bố trí ống lủa
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.3. Bước ống ngang và bước ống dọc của ống lửa
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.5. Mặt cắt lò hơi
3.3. Tính toán trao nhiệt trong buồng lửa3.3.1. Nhiệt hữu ích toả ra trong buồng lửa 3.3.1. Nhiệt hữu ích toả ra trong buồng lửa
0
Trong đó:
• 01 : Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu 01 = 39502,51( kJ/kg)
• q3 :Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học q3 = 1% • 6: Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài 6 = 0
• k: Nhiệt lượng do không khí mang vào lò khi có sấy sơ bộ từ bên ngoài. Vì không sử dụng bộ sấy không khí nên = 0
• k′ : Nhiệt lượng do không khí mang vào buồng lửa
k′ = (0 − Δ 0 − Δ n) ⋅0′′ + (Δ 0 − Δ n) ⋅kkl
Vói: 0: Hệ số không khí thừa trong buồng lửa. Chọn 0 = 1,1
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Δ n : Lượng không khí lọt vào hệ thống Δ n = 0
I" : Entanpi của không khí lý thuyết ở nhiệt độ ra khỏi bộ sấy không khí 0′′ = 0.
Ikkl : Entanpi của không khí lạnh.
=0 ⋅ ( ′ ) = 10,365 ⋅ (0,318.30) = 98,88kcal/kg = 413,71 kJ/kg
= (Δ 0 − Δ ) ⋅ = 0,05.423,71 = 20,69 kJ/kg
Vậy: Nhiệt hữu ích trong buồng lửa
Q0 = 39502,51 ⋅
3.3.2. Nhiệt lượng truyền lại cho buồng lửa với 1 kg nhiên liệu
Qb = (Q0 − Ibl0)kJ/kg
Chọn nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa sơ bộ là bl= 1050∘C
Ta có Ibl0 = 4693,15kcal/kg = 19636,14 kJ/kg
Qb = (Q0 − Ibl0 ) = 38953,33 − 19636,14 = 19317,19 kJ/kg
3.3.3. Tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy củaQ −I nhiên liệu
0
VCm= 0 bl
kJ/kg
Ta có: Q0 = Ia = 38953,33 kJ/kg = 9310,07kcal/kg nên nhiệt độ cháy lý thuyết
= 1944∘C a
VCm =
3.3.4. Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa
Trong đó:
• : Hệ số bảo toàn nhiệt năng = 0,98
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
• Bt : Tiêu hao nhiên liệu tính toán Bt = 75,26 kg/h
• Hb : Bề mặt hấp thụ bức xạ Hb = Fv = 4,3 m2
• : Hệ số làm bẩn
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên = 0,9
• 0: Độ đen buồng lửa
0,82 ⋅ ′
0= ′
+(1− ′)⋅ ′⋅
Trong đó:
a' : Độ đen hiệu dụng của ngọn lửa
′= .
Với
: Hệ số phụ thuộc vào sắc thái ngọn lựa = 0,75
a: Độ đen của môi trường trong buồng lửa
= 1 − −
e: Cơ số logarit tự nhiên
k: Hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường trong buồng lửa
k = 1,6 ⋅
p : Áp suất trong buồng lửa. Lò hơi dòng khí tự nhiên p = pa = 1 bar s: Bề dày hữu dụng của lớp bức xạ ngọn lửa S = 3,6 ⋅Vbl = 3,60,59 = 0,5 m
Fv 4,3
a = 1 − e−kps= 1 − e−1,62⋅1⋅0,49= 0,55
Độ đen hiệu dụng của ngọn lửa
′= 0,75.0,55 = 0,41
′: Độ dày đặc của dàn ống
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
′ = Hb = 1
Fv
Độ đen của buồng lửa
0,82 ⋅ 0,41
= = 0,36
0 0,41 + (1 − 0,41) ⋅ 1 ⋅ 0,9
Vậy: Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa là.
′′
0
= 1058∘C
Ta có 0′′ −bl = 8 < 50 Vậy Nhiệt độ khói ra buồng lửa là 1058∘C
3.4. Tính toán nhiệt pass 2
Các kính thước sơ bộ
• Số ống pass 2: 2 = 22 ống
• Nhiệt độ khói vào pass 2: 2 = 1058∘C
• Chọn sơ bộ nhiệt độ khói ra pass 2: 2r = 690∘C
• Chiều dài ống lửa ở pass 2: 2,5 m
• Đường kính trong của ống lửa: dtr = 0,046 m
• Đường kính ngoài của ống lửa: dng = 0,051 m
3.4.1. Phương trình cân bằng nhiệt giữa nhiệt lượng do khói truyền lại vànhiệt lượng do nước hấp thụ nhiệt lượng do nước hấp thụ
Qcb2 = ⋅ (I2v − I2r + Δ ⋅ Ikkl )
Trong đó:
• : Hệ số bảo toàn nhiệt năng
• 2 : Entanpi khói vào bề mặt đốt
Ta có: 2v= 1058∘C ⇒ I2v = 4732,89kcal/kg
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
• 2 : Entanpi của khói ra khỏi bề mặt đốt Ta có2r = 690∘C ⇒ I2r = 2956,95kcal/kg
• Δ : Lượng không khí lọt vào
Δ = 0+ Δ 0
Với: 0= 1 : Hệ số không khí thừa trong buồng lửa Δ 0 = 0,05 : Lượng không khí lọt vào buồng lửa
Δ = 0+ Δ 0 = 1,1 + 0,05 = 1,15 • kkl: Entanpi của không khí lạnh
• =30∘C⇒ =
kkl
Qcb2 = . (I2v − I2r + Δ ⋅ Ikkl )
= 0,98.(4732,89 − 2956,95 + 1,15.98,88) = 1851,85kcal= 7753,33 kJ kgkg 3.4.2. Hệ số truyền nhiệt 1 k = 1 + b+ v+ c+1kcal/m2h∘C
• 1,2 : Hệ số toả nhiệt từ khói cho vách ống và từ vách ống cho nước Do1 ≫2 :Cho nên nhiệt trở mặt trong ống có thể bỏ qua
• b, b :Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp tro xỉ và muội trên bề mặt ống
b = = 0,015
b • , : Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của vách ống
Do chiều dày của lớp kim loại bé, hệ số dẫn nhiệt của kim loại lớn cho nên có thể bỏ qua giá trị nhiệt trở của kim loại
v= 0
v
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
• , : Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu trên bề mặt trong của ống
Vì lò hơi yêu cầu nước phải thật sạch nên chiều dày của lớp cáu gần như không có.
= 0
Vậy có thể tính hệ số truyền nhiệt theo công thức:
1
k =1 W/m2 ⋅ K
+
1
Xác định hệ số toả nhiệt tù môi chát nóng cho vách 1
1= ⋅ k + b
• : Hệ số bao phủ tính đến giảm hấp thụ nhiệt của bề mặt đốt do không được khói bao phủ toàn bộ. Với chùm ống ngang w = 1
[TL1-T64]
• k: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (kJ/m2 h∘C)
• b: Hệ số toản nhiệt bằng bức xạ (kJ/m2 h∘C)
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 2