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:
Hệ số không khí thừa lấy giới hạn từ 1,08 - 1,15 Chọn 𝛼 = 1.1 Thể tích khí 3 nguyên tử: VRO 2 = 1,866 ⋅C lv+ 0,375. Slv 100 = 1,866 ⋅85,3 + 0,375.0,5 100 = 1,595Nm3/kg Thể tích khí Nitơ: VN 2 0 = 0,79. V0+ 0,008. Nlv = 0,79.10,365 + 0,008.0,7 = 8,194Nm3/kg
Thể tích lý thuyết của hơi nước: VH
2O
0 = 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: VH 2O = VH 2O 0 + 0,0161. (𝛼 − 1)V0 = 1,336 + 0,0161. (1,1 − 1) ⋅ 10,365 = 1,353Nm3/kg Tổng thể tích sản phẩm cháy là: Vk = VRO 2 + VN 2 0 + (𝛼 − 1) ⋅ V0+ VH 20 = 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
rRO
2 = VRO2 Vk = 1,595
12,189= 0,131 Tỷ lệ hơi nước với khói thải
𝑟𝐻
2𝑂 =𝑉𝐻2𝑂
𝑉𝑘 = 1,353
12,189= 0,111
Bảng 3.1. Kết quả tính toán thể tích không khí và sản phẩm cháy V0 V Vk VRO 2 VN 2 0 VH 2O rRO 2 rH 2O Nm3 /kg Nm3 /kg Nm3 /kg Nm3 /kg Nm3 /kg Nm3 /kg 10,365 11,402 12,189 1,595 8,194 1,353 0,131 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+ (𝛼 − 1) ⋅ I0
Trong đó:
• Ik0 : Entanpi của khỏi lý thuyết khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu với 𝛼 = 1 Ik0= VRO 2 ⋅ (c𝜃)CO 2 + VN 2 0 ⋅ (c𝜃)N 2 + VH 2O 0 ⋅ (c𝜃)H 2O
• c: Nhiệt dung của các loại khí (kcal/kg) • 𝜃 : Nhiệt độ của các loại khí ∘C
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
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 thải 𝜃k = 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:
𝑄01 = 𝑄1+ 𝑄2 + 𝑄3+ 𝑄4 + 𝑄5+ 𝑄6(𝑘𝐽/𝑘𝑔) Trong đó:
• 𝑄01 : Nhiệt lượng dẫn vào lò hay tổng nhiệt (kJ/kg) • 𝑄1 : Nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh ra hơi (kJ/kg)
• 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 tù̀ mặt 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. 𝑄01 = 𝑄th 1 + 𝑄k+ 𝑖n+ 𝑄f(kJ/kg) Trong đó:
• 𝑄th1 : Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu V ới nhiên liệu là dầu FO ta có:
𝑄th 1 = 339 ⋅ 𝐶lv + 1030 ⋅ 𝐻lv − 109 ⋅ (0lv − Slv) − 25 Wlv
= 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 𝑄𝑘 = 0
• 𝑖𝑛 : Nhiệt lượng vật lý của nhiên liệu in = cn.𝜃n = 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 𝑄𝑓 = 0
Nhiệt lượng dẫn vào lò 𝑄01 = 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 𝑞𝑖 = 𝑄𝑖
Lượng tổ thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi q2
q2 = Q2
Q10⋅ 100% = (Ik− 𝛼k⋅ Ik0) ⋅ (100 − q4)
Q10 ⋅ 100% • 𝐼𝑘 : Entanpi của khói với không khí thừa 𝛼𝑘 và nhiệt độ 𝜃𝑘( kJ/kg). Với 𝜃k = 200∘C tra bảng 3.2 Kết quả tính toán Entanpi theo nhiệt độ ta có:
𝐼𝑘= 803,4(kcal/kg) = 3361,426( kJ/kg) • 𝛼k : Hệ số không khí thừa 𝛼k = 1,1
• I10 :Entanpi của không khí lạnh lý thuyết
I10 = V0. (C. tkkl) = 10,365. (0,316.30) = 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
𝑞2= (3361,426 − 1,1.411,121) ⋅ (100 − 0)
39502,51 ⋅ 100% = 7,36% Lương tổn thát nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học q3
𝑞3= 𝑄3
𝑄01⋅ 100%
Nhiên liệu đốt là dầu FO: 𝑞3= (1 ÷ 1,5)%. Chọn 𝑞3 = 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
𝑞4 = 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 môi trường 𝜃a = 30∘C = 303∘K • Tốc độ gió: vm = 2 m/s
• Chọn lượng nhiên liệu tiêu hao B = 75 kg/h Chọn sơ bộ kích thước lò hơi theo kinh nghiệm thực tế là
• Chiều dài lò L = 3,3 m • Đường kính lò D = 1,7 m Diện tích Lò hơi F = 𝜋 ⋅ D ⋅ L + 2 ⋅𝜋 ⋅ D 2 4 = 𝜋 ⋅ 1 ⋅ 7 ⋅ 3,3 + 2 ⋅ 𝜋 ⋅ 1, 32 4 = 16,132 m 2
Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh
𝑄5 = 0,548 ⋅ [( 𝜃s 55,55) 4 + ( 𝜃a 55,55) 4 ] + 1,957. (𝜃s − 𝜃a)1,25 ⋅ √(68,9 + 196,85) ⋅ 𝑣m 68,9 = 0,548 ⋅ [( 343 55,55) 4 + ( 303 55,55) 4 ] + 1,957. (343 − 303)1,25 ⋅ √(68,9 + 196,85) ⋅ 2 68,9 = 821,587 W/m2 = 706,565kcal/m2 = 11398,304kcal = 47690,504 kJ Vậy: 𝑞5= 47690,50.100 39325,90.75 = 1,62% • Hệ số bảo toàn nhiệt năng:
𝜑 = 1 − 𝑞5
100 = 1 − 1,62
100 = 0,98 Lương tổn thát nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài q 6
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên 𝑞6 = 0 Tổng các tổn thát nhiệt trong lò hơi:
3.1.6. Hiệu suất và nhiên liệu tiêu hao của lò hơi
• Hiệu suất lò hơi
𝜂 = 100 − ∑ 𝑞 = 100 − 9,98 = 90,02% • Nhiệt lượng có ích. 𝑄1 = 𝜂 ⋅ 𝑄0 1 100= 90,02% ⋅ 39325,9 100 = 35401,175kcal/kg • Tiêu hao nhiên liệu cho lò hơi.
𝐵 = 𝐷 ⋅ (𝑖𝑞𝑛− 𝑖𝑛𝑐) 𝑄𝑡𝑙𝑣 ⋅ 𝜂
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 = D. (iqn − inc) Qlvt ⋅ 𝜂 =
1000 ⋅ (2791.4 − 126,98)
39325,9.90,02% = 75,26 kg/h • Tiêu hao nhiên liệu tính toán
Bt = B. (1 − q4
100) = 75,26 kg/h Bảng 3.3. Kết quả tính toán tổn thất nhiệt.
𝑄01(kJ/ kg) Các tổn thất nhiệt (%) η (%) Bt (Kg/h) q2 q3 q4 q5 q6 39325,9 7,36 1 0 1,62 0 90,02 75,26
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 𝐷0 =𝐷
𝐹 = 40 kg/m
2 h • Diện tích sơ bộ của lò hơi
F = D D0=
1000
40 = 25 m
2
• Nhiệt thể tích tiết diện ngang
qF = B ⋅ Qt
lv
Fbl
Với qF = 3500 ÷ 6000 kW/m2 Chọn qF = 3500 kW/m2 • Diện tích tiết diện ngang buồng lửa
Fbl= B ⋅ Qt lv qF = 75,26.39325,9 3500.3600 = 0,235 m 2
• Đường kính buồng lửa là Dbl= √Fbl ⋅ 4 𝜋 = √ 0,235 ⋅ 4 𝜋 = 0,547 m 2 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
Hình 3.2. Đồ thị xác định chiều dài ngọn lửa • Thể tích buồng lửa Vbl= Fbl. 𝑙𝑜𝑙 = 0,235.2,5 = 0,59 m3 • Đường kính ống lò dol= √4. V 𝜋. 1 = √ 4.0,59 𝜋. 2,5 = 0,548 m • Diện tích bức xạ trong lò Fbx = 𝜋. dol⋅𝑙𝑜𝑙 = 𝜋. 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
• 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 ldl = Fdl 𝜋 ⋅ dtr = 20,7 𝜋 ⋅ 0,046= 143,24 m • Tổng số ống lửa tối thiểu là.
n = ldl 2,8= 143,24 2,8 = 51.16 Chọn tổng số ống lửa là 52 ống • Bước ống ngang t Ta có t 2.d = 1 ÷ 1,5 Chọn t 2.d = 1,4 ⇒ t = 1,4.2.0,051 = 0,15 m Trong đó : dng = 0,051( m) đường kính ngoài của ống lò
• Bước ống dọc 𝑛 Ta có n
d= 2 ÷ 3 Chọn n
d= 2,9 ⇒ n = 2,9.0,051 = 0,15 m
• 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
Hình 3.3. Bước ống ngang và bước ống dọc của ống lửa
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
𝑄0 = 𝑄01⋅100 − 𝑞3− 𝑞6 100 + 𝑄k
′ − 𝑄k Trong đó:
• 𝑄01 : Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu 𝑄01 = 39502,51( kJ/kg)
• q3 :Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học q3 = 1% • 𝑞6 : Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài 𝑞6= 0
• 𝑄k : 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 𝑄𝑘 = 0
• 𝑄k′ : Nhiệt lượng do không khí mang vào buồng lửa
𝑄k′ = (𝛼0− Δ𝛼0− Δ𝛼n) ⋅ 𝐼0′′ + (Δ𝛼0− Δ𝛼n) ⋅ 𝐼kkl Vói: 𝛼0 : Hệ số không khí thừa trong buồng lửa. Chọn 𝛼0 = 1,1 Δ𝛼0 : Lượng không khí lọt vào buồng lửa Δ𝛼0 = 0,05
Δ𝛼n : Lượng không khí lọt vào hệ thống Δ𝛼n = 0
I" : Entanpi của không khí lý thuyết ở nhiệt độ ra khỏi bộ sấy không khí 𝐼0′′ = 0. Ikkl : Entanpi của không khí lạnh.
𝐼𝑘𝑘𝑙= 𝑉0 ⋅ (𝑐𝜃𝑘𝑘𝑙) = 10,365 ⋅ (0,318.30) = 98,88kcal /kg = 413,71 kJ/kg 𝑄𝑘′ = (Δ𝛼0− Δ𝛼𝑛) ⋅ 𝐼𝑘𝑘𝑙 = 0,05.423,71 = 20,69 kJ/kg
Vậy: Nhiệt hữu ích trong buồng lửa Q0 = 39502,51 ⋅100 − 1 − 0
100 + 20,69 = 38953,33 kJ/kg
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 𝜃bl = 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 của 𝟏 𝐤𝐠 nhiên liệu
VCm =Q0− Ibl
0
𝜃a− 𝜃0′′ kJ/kg
Ta có: Q0 = Ia = 38953,33 kJ/kg = 9310,07kcal/kg nên nhiệt độ cháy lý thuyết 𝜃a = 1944∘C
VCm = Q0−Ibl0
𝜃a−𝜃0′′ = 38953,33−19636,14
1944−1050 = 21,61 kJ/kg = 5,16 kcal/kg
3.3.4. Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa
𝜃0 = 𝜃𝑎 [1,27 ⋅ 10−8⋅ 𝜉 ⋅ 𝐻𝑏⋅ 𝑎0⋅ 𝜃𝑎3 𝜑 ⋅ 𝐵𝑡 ⋅ 𝑉𝐶𝑚 ] 0,6 + 1 − 273 Trong đó:
• Bt : Tiêu hao nhiên liệu tính toán Bt = 75,26 kg/h • Hb : Bề mặt hấp thụ bức xạ Hb = Fv = 4,3 m2
• 𝜉 : Hệ số làm bẩn
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên 𝜉 = 0,9 • 𝑎0 : Độ đen buồng lửa
𝑎0= 0,82 ⋅ 𝑎
′
𝑎′+ (1 − 𝑎′) ⋅ 𝜓′ ⋅ 𝜌 Trong đó:
a' : Độ đen hiệu dụng của ngọn lửa
𝑎′ = 𝛽. 𝑎 Với
𝛽 : Hệ số phụ thuộc vào sắc thái ngọn lựa 𝛽 = 0,75 a: Độ đen của môi trường trong buồng lửa
𝑎 = 1 − 𝑒−𝑘𝑝𝑠 e: Cơ số logarit tự nhiên
k: Hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trường trong buồng lửa k = 1,6 ⋅ 𝜃0
1000− 0,5 = 1,6 1050
1000− 0,5 = 1,62
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
Fv = 3,6 0,59
4,3 = 0,5 m
a = 1 − e−kps = 1 − e−1,62⋅1⋅0,49 = 0,55 Độ đen hiệu dụng của ngọn lửa
𝑎′= 0,75.0,55 = 0,41 𝜓′ : Độ dày đặc của dàn ống
𝜓′ =Hb Fv = 1 Độ đen của buồng lửa
𝑎0= 0,82 ⋅ 0,41
0,41 + (1 − 0,41) ⋅ 1 ⋅ 0,9= 0,36 Vậy: Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa là.
𝜃0′′ = 1944 + 273 [1, 27.10−8 ⋅ 0,9.4,3 ⋅ 0,36 ⋅ (1944 + 273)3 0,98.75,26.5,16 ] 0,6 + 1 − 273 = 1058∘C
Ta có 𝜃0′′ − 𝜃bl = 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: 𝑛2 = 22 ống
• Nhiệt độ khói vào pass 2: 𝜃2𝑣 = 1058∘C
• Chọn sơ bộ nhiệt độ khói ra pass 2: 𝜃2r = 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 và nhiệt lượng do nước hấp thụ nhiệt lượng do nước hấp thụ
Qcb2 = 𝜑 ⋅ (I2v− I2r + Δ𝛼 ⋅ Ikkl) Trong đó:
• 𝜑 : Hệ số bảo toàn nhiệt năng • 𝐼2𝑣 : Entanpi khói vào bề mặt đốt
• 𝐼2𝑟 : Entanpi của khói ra khỏi bề mặt đốt Ta có 𝜃2r = 690∘C ⇒ I2r = 2956,95kcal/kg
• Δ𝛼 : Lượng không khí lọt vào
Δ𝛼 = 𝛼0+ Δ𝛼0 Với: 𝛼0 = 1 : Hệ số không khí thừa trong buồng lửa
Δ𝛼0= 0,05 : Lượng không khí lọt vào buồng lửa